具有内部轴向对称金属丝电极的真空紫外线准分子灯

摘要

本发明涉及一种电介质阻挡VUV准分子灯(1)，包括用于容纳准分子形成气体(5)的细长介电管(3)、布置在所述管(3)内的第一电极(2)、布置在所述管外的第二电极(4)，其中所述第一电极(2)为：‑沿着所述介电管(3)的中心轴设置的金属丝电极，‑相对于所述中心轴轴向对称，并且‑物理连接到所述介电管(3)的每一端。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的电介质阻挡放电(dielectricbarrier discharge)VUV准分子灯、涉及一种光化学臭氧发生器以及涉及一种包括这种电介质阻挡VUV准分子灯的准分子灯系统。

背景技术

准分子灯用于产生高能紫外线(VUV)辐射。准分子辐射是通过在充满准分子形成气体(excimer-forming gas)的放电室中进行无声放电产生的。放电室具有由对紫外(UV)光透明的材料形成的壁。第一电极设置在放电室内。第二电极布置在放电室外。由于电极之间产生的电场，所以会发生放电，从而产生准分子分子(excimer molecule)。当这些受激分子返回基态(ground state)时，会发出高能紫外光。

已知的准分子灯的壁插(wall plug)效率低并且寿命短。此外，如果超过一定的功率密度，则可能发生电弧放电。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有延长寿命的高效VUV准分子灯。

这个问题通过具有权利要求1中列出的特征的电介质阻挡放电VUV准分子灯解决。使用这种准分子灯实现了一种光化学臭氧发生器系统。

在下文中，真空紫外线(VUV)辐射被用来描述190纳米以下的紫外线光谱。紫外线C(UV-C)一般是指短波长(100-280纳米)的辐射，它主要用于消毒，通过破坏核酸和破坏其DNA来灭活微生物，使其无法发挥重要的细胞功能。

根据本发明，提供了一种电介质阻挡放电VUV准分子灯，其包括用于容纳准分子形成气体的细长介电管、设置在所述管内的第一电极、设置在所述管外的第二电极，其中所述第一电极为沿着所述介电管的中心轴布置的金属丝电极，相对于中心轴轴向对称(具有与组装和生产有关的误差)，并物理连接到所述介电管的每一端。细长的细金属丝基本上是直的(具有与组装和生产有关的误差)，并且限定直的伸长轴。已经发现，通过这种金属丝电极，灯的效率大大提高。与刚性杆相比，金属丝优选地是柔性金属绞线。

优选地，所述灯是交流(AC)电介质阻挡放电VUV准分子灯或脉冲直流(DC)电介质阻挡放电VUV准分子灯。DC优选地具有小于10μs的脉冲宽度和/或大于1μs但小于100s的脉冲距离。优选地，所述介电管具有圆柱形的细长壁，并且其沿着灯体的轴向线性延伸。

甚至更优选地，所述细长的细金属丝的外径在0.02mm与0.4mm之间。优选地，所述内电极具有根据以下方程式的厚度：(R/ro)/ln(R/ro)＞10，其中2*R是玻璃管的内径，而2*ro是内电极的外径。更优选地，内电极具有根据以下方程式的厚度：(R/ro)/ln(R/ro)>10。由于气体中电子倍增的指数行为，因此，与现有技术相比的差异甚至是相当大的。

在有利的实施例中，充气压力(gas filling pressure)在300mbar与50bar之间的范围内。在一个实施例中，对于外径约为16mm的介电管，充气压力约为340mbar。

优选地，所述气体基本上由Xe组成。

为了达到高效率，所述气体中的杂质应少于约10ppm。

优选地，所述介电管由对VUV辐射透明的石英玻璃制成。

在优选实施例中，所述细长的细金属丝被布置在细长的细金属丝的一侧上的弹簧张紧并居中。与内电极在整个长度上螺旋缠绕在杆上相比，这可以避免在灯的整个长度上产生阴影，并确保在高温下张紧电极，从而可以保持同轴对称性。内电极优选地物理连接到介电管的每一端。

此外，提供了一种具有前述介电阻挡放电VUV准分子灯的光化学臭氧发生器。

对于另一种应用，介电阻挡放电VUV准分子灯的所述介电管可在内部或外部具有UV-C荧光涂层，该涂层具有发光化合物，优选磷光体。所述涂层允许产生UV-C辐射。外部上的涂层是有益的，因为它允许不那么稳定和容易的涂层。如果涂层在内部，则不需要昂贵的对VUV辐射透明的玻璃，从而降低了成本。

最后，提供一种准分子灯系统，其具有上述介电阻挡放电VUV准分子灯和用于向第一电极和第二电极供电的电源。

附图说明

将参考附图描述本发明的优选实施例。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件或功能上相似的部件。

图1示出了布置在电介质内部的VUV准分子灯的内电极的现有技术示意图以及根据本发明的内电极设计，

图2示出了根据本发明的内电极的示意图，

图3是示出现有技术的内电极和本发明的电极之间的效率比较的曲线图，

图4显示了阻挡放电中氙气的发射光谱，取决于氙气气体压力，

图5示出了在电介质内部具有磷光体涂层的准分子灯的原理布置，以及

图6示出了在电介质外部具有磷光体涂层的准分子灯的原理布置。

具体实施方式

图1在右侧示出了在由电介质3形成的放电室内的VUV准分子灯1的内电极2的现有技术状态。内电极2是高压电极。根据本发明，内电极2是由高熔点材料(例如钨或钼)制成的细金属丝(见图1，左)。内电极2的外径d等于或小于0.5mm。金属丝2的两端被夹紧并张紧，以使其布置成直线。优选地，金属丝在两侧上被紧密地压接。通过将这样的电极2与电介质阻挡结合使用，可以使放电均匀化，这有助于显著提高效率。此外，细金属丝电极2屏蔽和吸收VUV辐射的比例远低于传统的较宽电极，从而提高了效率。这通过表示产生的VUV辐射的箭头示出。优选地，所述细长的细金属丝基本上是直的，并限定直的伸长轴。也就是说，所述管具有圆柱形的细长壁，并且其沿着灯体的轴向线性延伸。所述金属丝具有圆形横截面。甚至更优选地，所述细长的细金属丝的外径在0.02mm与0.4mm之间。优选地，所述内电极具有根据以下方程式的厚度：(R/ro)/ln(R/ro)>10，其中2*R是所述介电管3的内径，2*ro是所述内电极2的外径。

图2显示了准分子灯1的侧视图，包括介电管3、第一电极(内电极)2和第二电极(外电极)4。第一电极2和第二电极4连接到驱动电路(未显示)。介电管3由对UV辐射透明的介电材料(例如石英玻璃)制成。在介电管内，高压电极和电介质之间的空间充满了高纯度的氙气5。出于性能原因，水含量小于10ppm。

细高压电极金属丝2通过弹簧6被张紧并居中，弹簧连接到准分子灯的一端和金属丝的一端。弹簧6优选由奥氏体镍-铬基超合金材料制成，如Inconel。陶瓷也是适用的。由于灯管填充时的烘烤过程，弹簧6必须能承受高达500℃的温度。

电介质3被第二电极4(接地电极)包围。该接地电极4可以以不同的方式形成。第二电极4由导电材料制成。例如，为了形成第二电极4，可以使用由金属(例如，铝、铜)制成的带或导电金属丝。第二电极4与介电管3的外表面接触。第二电极4包括线性电极40、41。线性电极40、41基本上彼此平行地布置，并且它们沿着介电管的纵轴延伸。在另一个实施例中，电极4可以以螺旋形式形成在介电管3的外表面上。该配置允许在介电管3的圆周方向上均匀地生成放电，从而能够获得亮度分布更均匀的发射。此外，接地电极4可以是网状的或由水形成的，它可以以最小的导电性作为电极与被接地的容器发生作用。

图3示出了根据图1的现有技术准分子灯1(右侧)的灯效率7与根据本发明的具有内电极2的准分子灯1(根据图1左侧)的灯效率8之间的比较。令人惊讶的是，根据本发明的准分子灯的效率8几乎是以线性方式缓慢下降的，而根据现有技术的准分子灯的效率7则随着功率输入的增加而迅速降低。

可以通过增加充气压力来改善灯的寿命。图4显示了阻挡放电中氙气的发射光谱，取决于氙气气体压力。测量的压力为49mbar、69mbar、100mbar和680mbar，在图中用线9、10、11、12表示。在低压9(49mbar)下，147nm处的共振线占主导地位。随着压力的增加，期望的172nm的输出加强，而短波长的分量减少。在160nm以下，可以看到石英套管的冲击。在较高的氙气压力下，172nm VUV辐射的效率以及灯的使用寿命都会得到改善。

特别地，对外径为16mm、长度为50cm的石英管进行了测试。对于这种灯配置，气体填充的压力应该在p

所发射的VUV光的波长为172nm，是生产臭氧的理想选择。与使用无声放电的常规臭氧生成过程相比，氧分子被光子而不是电子分裂。结果，不会产生氮氧化物，并且可以在最纯净的氧气原料气体中产生干净的臭氧。此外，可以实现极高的臭氧浓度。此外，有利的是，在这种光化学臭氧发生器中，使用的原料气体压力没有上限。

VUV准分子灯的另一个应用是产生UV-C辐射。在这种情况下，电介质必须涂覆有UV-C荧光材料，例如一层磷化合物，如YP04:Bi。这些化合物吸收172nm的辐射，并重新发射UV-C范围内的光(斯托克斯位移)。发射辐射的波长取决于磷层的组成。可以根据应用进行调整。

如图5所示，UV-C荧光涂层13可以形成在介电管3的内表面上。在通过驱动电路在第一电极2和第二电极4上施加电压时，在介电管3内部发生辉光放电，从而激发放电介质氙5。当被激发的放电介质5转变为基态时，放电介质发射紫外光。紫外光激发磷光体层13的磷光体，并且被激发的磷光体发射UV-C范围内的光。

第二电极4包括多个基本上彼此平行布置的线性或螺旋卷绕电极，它们可以形成为金属丝或带，从而仅一小部分受到放电的影响。可以在UV-C荧光涂层13的内部布置Al

图6示出了另一个实施例，其中UV-C荧光涂层13布置在介电管3的外表面上，在电介质3与第二电极4之间。这种外部涂层的优点是磷光体层13不与等离子体接触，并且不会被放电破坏。然而，需要特殊的介电套筒3，该介电套筒3能够抵抗并将VUV辐射传输至磷光体。适用的是例如合成石英，例如Suprasil 310。在通过驱动电路在第一电极2和第二电极4上施加电压时，在介电管3内部发生辉光放电，从而激发放电介质氙5。当被激发的放电介质5转变为基态时，放电介质发射紫外光。紫外光激发磷光体层13的磷光体，并且被激发的磷光体发射UV-C范围内的光。

使用磷光体涂层，可以达到高效的无汞UV-C灯，它没有预热时间，可以完全调光(0到100％，无效率损失)，同时可以承受大范围的工作温度。