DE19922566B4

DE19922566B4 - Process for the generation of ultraviolet radiation

Info

Publication number: DE19922566B4
Application number: DE19922566A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Lebert; Willi Dr. Neff; Axel Dipl.-Phys. Engel; Klaus Dr. Bergmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: DE19922566A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Ultraviolett- (UV-) Strahlung, bei dem das die Strahlung emittierende Medium ein Plasma ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mittels einer gepulsten Hochstromentladung erzeugt wird und sich getrieben vom Eigenmagnetfeld des Entladestromes entlang der Elektroden ausbreitet.method for the generation of ultraviolet (UV) radiation, in which the Radiation-emitting medium is a plasma, characterized in that the plasma is generated by means of a pulsed high-current discharge and itself driven by the intrinsic magnetic field of the discharge current along the electrodes spreads.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Ultraviolettstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Erzeugung und nachfolgende Beaufschlagung von Oberflächen mit der Ultraviolettstrahlung, um unerwünschte, zum Beispiel toxische Substanzen von Oberflächen in unschädliche Substanzen umzuwandeln oder um schädliche Keime abzutöten.The The invention relates to a method for generating ultraviolet radiation according to the preamble of claim 1. Preferred field of application is the creation and subsequent application of surfaces to of ultraviolet radiation to unwanted, for example toxic Substances from surfaces in harmless Converting substances or killing harmful germs.

Stand der TechnikState of technology

Für das Unschädlichmachen toxischer Substanzen wie zum Beispiel organischer Verbindungen sowie Mikroorganismen bzw. Keime, welche sich auf beliebigen Oberflächen befinden, bietet sich die Beaufschlagung der zu reinigenden Oberfläche durch intensive UV-Strahlung an. Die meisten chemischen Bindungen der organischen Substanzen bzw. der Keime können durch die UV-Strahlung aufgebrochen und das Material damit sterilisiert bzw. desinfiziert werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung im UVC-Bereich (Wellenlänge λ = 180–280 nm) und im Wellenlängenbereich der Vakuum-Ultraviolett (VUV-) Strahlung (Wellenlänge λ = 100–180 nm). Um eine möglichst hohe Prozeßeffizienz zu erzielen, sollte die zu reinigende Oberfläche breitbandig mit UV-Strahlung beaufschlagt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die für die Aufspaltung chemischer Bindungen erforderlichen Lichtquanten stets zur Verfügung stehen.For rendering harmless toxic substances such as organic compounds as well Microorganisms or germs that are on any surface, the surface to be cleaned is exposed to intense UV radiation. Most organic chemical bonds Substances or germs can broken up by the UV radiation and the material thus sterilized or disinfected. Irradiation is particularly preferred with electromagnetic radiation in the UVC range (wavelength λ = 180–280 nm) and in the wavelength range the vacuum ultraviolet (VUV) radiation (wavelength λ = 100-180 nm). To one if possible high process efficiency To achieve this, the surface to be cleaned should be exposed to broadband UV radiation become. This can ensure that the chemical splitting Binding light quanta are always available.

UV-Lampen erzeugen jedoch nur relativ wenige Emissionslinien im UV-Bereich, wobei bei kontinuierlichem Betrieb Strahlungsleistungen von 100 mW/cm² nicht überschritten werden. Dadurch sind herkömmliche UV-Lampen nur für kleine UV-Wellenlängenbereiche als intensive Emitter bzw. im Sinne des oben skizzierten Anwendungsgebietes für die Zerstörung ausgewählter chemischer Verbindungen nutzbar. Für die verschiedenen photochemischen Prozesse bei der Reinigung und Desinfektion von Oberflächen ist es vorteilhaft, verschiedene chemische Bindungen durch verschiedene Emitterwellenlängen gleichzeitig zu behandeln, d.h. die Oberfläche breitbandig zu bestrahlen. Der ideale breitbandige Emitter ist ein sogenannter „grauer Strahler", d.h. eine Strahlungsquelle, die über den gesamten UV-Bereich möglichst nahe an die spektrale Strahlungsdichte eines Planck'schen Strahlers (d.h. eines schwarzen Körpers) heranreicht. Für die Realisierung eines effektiven grauen UV-Strahlers sind Plasmatemperaturen von von mehr als 2 eV (ca. 20.000 K) erforderlich. Darüber hinaus muß hinreichend viel strahlendes Material zur Verfügung stehen, um bei diesen hohen Temperaturen die gewünschten Strahlintensitäten zu erreichen.UV lamps, however, only produce relatively few emission lines in the UV range, with radiation outputs of 100 mW / cm ² not being exceeded during continuous operation. As a result, conventional UV lamps can only be used as intensive emitters for small UV wavelength ranges or, in the sense of the application area outlined above, for the destruction of selected chemical compounds. For the different photochemical processes in the cleaning and disinfection of surfaces, it is advantageous to treat different chemical bonds simultaneously by means of different emitter wavelengths, ie to irradiate the surface with broadband. The ideal broadband emitter is a so-called "gray emitter", ie a radiation source that over the entire UV range comes as close as possible to the spectral radiation density of a Planck emitter (ie a black body). For the realization of an effective gray UV Plasma temperatures of more than 2 eV (approx. 20,000 K) are required, and there must also be sufficient radiation material available to achieve the desired beam intensities at these high temperatures.

Es ist bekannt, stationäre heiße Plasmen mit Hochstromentladungen zu erzeugen. Um Plasmatemperaturen von mehr als 2 eV zu erreichen, sind jedoch Ströme von einigen zehn Kiloampere notwendig, die üblicherweise nur im Pulsbetrieb realisiert werden. Bei kontinuierlichem Betrieb sind hingegen großtechnische Anlagen erforderlich. Derart hohe Entladeströme sind jedoch häufig mit starker Erosion der Elektroden des Elektrodensystems verbunden.It is known stationary name is Generate plasmas with high current discharges. To plasma temperatures of more than 2 eV can be reached, however, currents of a few ten kiloamps necessary, which is usually can only be realized in pulse mode. With continuous operation however, are large-scale Attachments required. Such high discharge currents are common, however severe erosion of the electrodes of the electrode system.

Zur Reduzierung dieser Elektrodenerosion ist es von Hochleistungsschaltern her bekannt, anstelle eines stationären Plasmas eine diffuse, sich schnell über die Elektroden bewegende Plasmaschicht einzusetzen. Derartige Hochstromschalter, zum Beispiel Pseudofunkenschalter, weisen jedoch wegen des geringen Neutralgasdruckes eine nur geringe Materialdichte auf und emittieren deshalb mit einer nur geringen optischen Dichte. Weiterhin weisen sie den Nachteil auf, daß sich das Plasma nicht als Ganzes, sondern nur in Form einzelner Stromfäden bewegt. Dadurch wird das Plasma nicht so effektiv geheizt wie eine sich bewegende Plasmaschicht. Auch ist die an eine Pseudofunkenentladung angepaßte Geometrie mit einem langen, aber engen Ringspalt als Strahlungsquelle ungeeignet, da nur eine kleine strahlende Fläche entlang des Ringspaltes genutzt werden kann. Zudem ist die Strahlungintensität im UV-Bereich nur marginal.to Reducing this electrode erosion is it of high performance switches known, instead of a stationary plasma a diffuse, quickly over the To use electrodes moving plasma layer. Such high current switch to Example pseudo radio switch, however, because of the low Neutral gas pressure only a low material density and emit therefore with only a low optical density. Continue to point they have the disadvantage that the plasma is not moved as a whole, but only in the form of individual filaments. As a result, the plasma is not heated as effectively as one moving plasma layer. It is also a pseudo spark discharge adapted Geometry with a long but narrow annular gap as a radiation source unsuitable as there is only a small radiant area along the annular gap can be used. In addition, the radiation intensity is in the UV range only marginal.

Bei Pinchplasmen, die als Strahlungsemitter eingesetzt werden, bewegt sich das Plasma ebenfalls über die Elektroden, so wie es zum Beispiel die EP 0 140 005 B1 lehrt. Zur Strahlungserzeugung wird jedoch nur das durch den Pincheffekt erzeugte dichte, heiße Plasma genutzt. Das Pinchplasma ist jedoch ineffektiv hinsichtlich der Erzeugung von UV-Strahlung, da bei Plasmatemperaturen von mehr als 50 eV ein Großteil der Strahlung im XUV- oder Röntgenbereich emittiert wird. Das bewegte Plasma wird nämlich allgemein nicht für die UV-Strahlungsemission optimiert, d.h. es wird weder darauf geachtet, daß die Plasmatemperatur möglichst angepaßt an effektive UV-Erzeugung ist, noch daß das Plasma eine hinreichend hohe Emissivität im UV-Bereich aufweist. Daher ist die UV-Emissionscharakteristik des bewegten Plasmas in Pinchplasmen bisher noch wenig untersucht. Die Emission des bewegten Plasmas im sichtbaren Spektralbereich wurde jedoch häufig für die Plasmadiagnostik genutzt. Darüber hinaus wird in einem Pinchplasma eine derart hohe Energiedichte erzeugt, daß der Pinchprozeß selbst mit starker Elektrodenerosion einhergeht.In pinch plasmas, which are used as radiation emitters, the plasma also moves over the electrodes, like for example the EP 0 140 005 B1 teaches. However, only the dense, hot plasma generated by the pinch effect is used to generate radiation. However, the pinch plasma is ineffective with regard to the generation of UV radiation, since at plasma temperatures of more than 50 eV a large part of the radiation is emitted in the XUV or X-ray range. The moving plasma is generally not optimized for UV radiation emission, ie no care is taken to ensure that the plasma temperature is as adapted as possible to effective UV generation, and that the plasma has a sufficiently high emissivity in the UV range. Therefore, the UV emission characteristics of the moving plasma in pinch plasmas have so far been little investigated. However, the emission of the moving plasma in the visible spectral range was often used for plasma diagnostics. In addition, such a high energy density is generated in a pinch plasma that the pinch process is accompanied even by severe electrode erosion.

In der DE 42 43 210 A1 wird ein Hochleistungsstrahler mit einem Entladungsraum beschrieben, innerhalb dessen eine Hochspannungselektrode angeordnet und der von einer Außenelektrode umgeben ist. Die Außenelektrode ist dabei transparent ausgebildet und kann beispielsweise durch ein Plasma erzeugt werden.In the DE 42 43 210 A1 a high-performance radiator is described with a discharge space ben, within which a high-voltage electrode is arranged and which is surrounded by an outer electrode. The outer electrode is transparent and can be generated, for example, by a plasma.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß nach dem Stand der Technik der für das oben skizzierte Anwendungsgebiet interessante Spektralbereich des UVC- und VUV-Bereich

– mit kontinuierlich emittierenden UV-Lampen innerhalb eines sehr kleinen Spektralbereichs, oder
– gepulst betriebenen Entladungen mit stationärem Plasma, oder
– unter Ausnutzung hochkomprimierter Plasmen (Pinchplasmen) noch sehr unbefriedigend erschlossen werden.

In summary, it can be stated that according to the prior art, the spectral range of the UVC and VUV range which is interesting for the application area outlined above

- with continuously emitting UV lamps within a very small spectral range, or
- pulsed discharges with stationary plasma, or
- Using highly compressed plasmas (pinch plasmas) can still be developed very unsatisfactorily.

Es wird erwartet, daß sich bei der Sterilisation bzw. Desinfizierung von Oberflächen durch einen gepulst betriebenen Breitbandemitter hoher Strahlungsintensität im UV-Bereich synergetische Effekte einstellen. Diese synergetischen Effekte ergeben sich daraus, daß durch breitbandige UV-Strahlung mehrere photochemische Prozesse – bis hin zur Radikalenbildung – gleichzeitig ausgelöst werden können, daß es gleichzeitig durch die hohe Pulsleistung zu einer kurzfristigen Aufheizung kommen kann, und daß es durch die UV-Bestrahlung zur Emission von Photoelektronen kommen kann, die an der zu behandelnden Oberfläche zu hohen elektrischen Feldern führen. Mit zunehmender Intensität bzw. bei abnehmender Pulsdauer bei gleicher Dosis der gepulsten Strahlung werden besonders hohe Radikalendichten, hohe Temperaturen bzw. hohe Feldstärken erreicht, die hinsichtlich der sterilisierenden Wirkung ergänzend wirken. Somit besteht der Bedarf an einer breitbandig emittierenden plasmabasierten Strahlungsquelle für den UV-Bereich mit hohen Momentanwerten der Intensität.It is expected to during the sterilization or disinfection of surfaces a pulsed broadband emitter with high radiation intensity in the UV range Set synergetic effects. These synergetic effects arise from the fact that by broadband UV radiation several photochemical processes - all the way for radical formation - at the same time triggered can be that it is at the same time short-term heating due to the high pulse power can and that it UV radiation leads to the emission of photoelectrons can lead to high electrical fields on the surface to be treated. With increasing intensity or with decreasing pulse duration with the same dose of pulsed radiation become particularly high radical densities, high temperatures or high field strengths achieved that have a complementary effect with regard to the sterilizing effect. There is therefore a need for a broadband, plasma-based emission Radiation source for the UV range with high instantaneous values of the intensity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Erzeugung von UV-Strahlung bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen für die Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gegeben.The The invention has for its object a method for the generation of UV radiation to provide that overcomes the disadvantages mentioned above. This task will according to the invention solved the features specified in claim 1. Advantageous configurations for the execution of the method are given in the subclaims.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung von UV-Strahlung bereitzustellen, bei dem das Emissionsspektrum des Plasmas möglichst nahe an das eines schwarzen Strahlers heranreicht, wobei dessen Emissionsmaximum im Bereich der gewünschten UV-Strahlung liegt. Darunter soll vorliegend verstanden werden, daß die Emissivität im angestrebten UV-Bereich (λ = 180–280 nm), aber auch möglichst im Bereich der Vakuum- Ultraviolett (VUV-) Strahlung (Wellenlänge λ = 100–180 nm), größer als 0,1 sein soll.A Another object is a method for generating UV radiation To provide, where possible, the emission spectrum of the plasma close to that of a black radiator, with its Emission maximum is in the range of the desired UV radiation. In the present case, this is to be understood to mean that the emissivity in the desired UV range (λ = 180-280 nm), but also if possible in the area of vacuum ultraviolet (VUV) radiation (wavelength λ = 100–180 nm), larger than Should be 0.1.

Weiterhin ist es Aufgabe, daß ein gepulst betriebenes Verfahren zur Erzeugung von UV-Strahlung bereitgestellt wird, bei dem die Elektrodenerosion möglichst gering ist.Farther it is the task that a pulsed operated method for generating UV radiation provided in which the electrode erosion is as low as possible.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sich die o.g. Nachteile dadurch überwinden lassen, daß zur Erzeugung von UV-Strahlung ein Plasma eingesetzt wird, welches in einer gepulsten Hochstromentladung erzeugt wird, und welches sich, getrieben vom Eigenmagnetfeld des Entladestroms, entlang der Elektroden ausbreitet. Das dadurch bereitgestellte dynamische, sich über die Elektroden bewegende Plasma führt zu einem nur geringen Elektrodenabbrand. Die Ursache hierfür ist, daß die von den Elektroden aufgenommene Wärmeenergie über ihre gesamte Fläche verteilt wird, wohingegen bei stationären Plasmen der Energieeintrag deutlich lokalisierter ist und sich deshalb dort ein Abbrand schneller einstellt.According to the invention recognized that the above-mentioned Overcoming disadvantages leave that for Generation of UV radiation, a plasma is used, which in a pulsed high current discharge is generated, and which, driven by the intrinsic magnetic field of the discharge current, along the electrodes spreads. The dynamic provided by this, about the Electrode moving plasma leads only a small electrode erosion. The reason for this is that the the heat energy absorbed by the electrodes via their the whole area is distributed, whereas with stationary plasmas the energy input is clearly more localized and therefore burns up faster there established.

Für eine möglichst effektive Emission im UV-Bereich sind Plasmageschwindigkeiten von mehr als 10³ m/s besonders geeignet, da das sich bewegende Plasma dann eine hinreichend hohe Temperatur von zum Beispiel mehr als 20.000 K aufweist. Das Einstellen einer Plasmabewegung als solcher als auch die Einstellung einer definierten Geschwindigkeit von zum Beispiel 10³ m/s erfolgt durch Abstimmung von Gasart, Gasdichte, Entladestrom und gewählter Elektrodengeometrie. Eine derartige Abstimmung ist dem Fachmann unter Heranziehung atomphysikalischer Kenntnisse seit vielen Jahren aus dem Bereich der Pinchplasmasysteme und der koaxialen Plasmabeschleuniger bekannt.Plasma velocities of more than 10 ³ m / s are particularly suitable for the most effective emission possible in the UV range, since the moving plasma then has a sufficiently high temperature of, for example, more than 20,000 K. The setting of a plasma movement as such and the setting of a defined speed of, for example, 10 ³ m / s is carried out by coordinating the gas type, gas density, discharge current and selected electrode geometry. Such coordination has been known to the person skilled in the art using atomic-physical knowledge for many years in the field of pinch plasma systems and coaxial plasma accelerators.

Durch eigene Untersuchungen konnte bei derartigen Abstimmungen ermittelt werden, daß für eine effektive Emission im UV-Bereich die Elektronentemperatur bevorzugt zwischen 20.000 K (2 eV) und 500.000 K (50 eV) und ganz besonders bevorzugt zwischen 50.000 K (5 eV) und 300.000 K (30 eV) liegt. Weiterhin konnte festgestellt werden, daß die effektive Stromstärke dann mindestens 15 Kiloampere beträgt und bevorzugt im zwei- bis dreistelligen Kiloamperebereich liegt.By own investigations could be determined with such votes be that for effective Emission in the UV range the electron temperature preferably between 20,000 K (2 eV) and 500,000 K (50 eV) and very particularly preferred is between 50,000 K (5 eV) and 300,000 K (30 eV). Farther it was found that the effective amperage then is at least 15 kiloamperes and preferably in two to three-digit kiloampere range.

Die Abstimmung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise so durchgeführt, daß die Emissivität im angestrebten UV-Bereich (λ = 180–280 nm) größer als 0,1 ist. Für diesen Fall reicht das Emissionsspektrum des Plasmas recht nahe an das eines schwarzen Strahlers heran, dessen Emissionsmaximum im Bereich der gewünschten UV-Strahlung liegt. Die Emissivität ist nämlich ein Maß der Annäherung an den schwarzen Strahler. Das Plasma emittiert dann sehr breitbandig bei hoher spektraler Dichte. Das Maximum der Emission eines schwarzen Strahlers liegt im UV-Bereich, wenn die Temperatur des emittierenden Plasmas mehr als ca. 20.000 K beträgt.For the purposes of the present invention, the tuning is preferably carried out in such a way that the emissivity in the desired UV range (λ = 180-280 nm) is greater than 0.1. In this case, the emission spectrum of the plasma comes very close to that of a black radiator, the emission maximum of which is in the range of the desired UV radiation. The emissivity is namely a measure of the approach to the black body. The plasma then emits very broadband with a high spectral density. The maximum emission of one black lamp is in the UV range if the temperature of the emitting plasma is more than approx. 20,000 K.

Durch die oben erwähnte Abstimmung kann innerhalb gewisser Grenzen der Schwerpunkt des Emissionsspektrums beeinflußt werden. Er wird vorzugsweise so eingestellt, daß das Plasma im UV-Bereich und besonders bevorzugt im UVC- Bereich (λ = 180–280 nm) emittiert. UVC-Strahlung ist besonders hochenergetische UV-Strahlung und weist für das oben beschriebene Einsatzgebiet den Vorteil auf, daß sie auch feste chemische Verbindungen photochemisch zerstört, effektiv Radikale erzeugt, besonders viele Photoelektronen auslöst und damit lokale elektrische Feldstärken induziert.By the one mentioned above Tuning can, within certain limits, be the focus of the emission spectrum affected become. It is preferably set so that the plasma is in the UV range and particularly preferably in the UVC range (λ = 180-280 nm) emitted. UVC radiation is particularly high-energy UV radiation and points for the field of application described above has the advantage that it too solid chemical compounds are destroyed photochemically, effectively generate radicals, triggers a particularly large number of photoelectrons and thus local electrical ones field strengths induced.

Es ist möglich, das Plasma kontrolliert durch eine Gleitentladung über einem Isolator zu zünden. Ein derartiges kontrolliertes Zünden des homogenen Plasmas ist zum Beispiel von Plasmafokusentladungen her seit vielen Jahren bekannt. Der besondere Vorteil der Gleitentladung besteht darin, daß dann das Plasma besonders homogen ausfällt.It is possible, the plasma is controlled by a sliding discharge over one Ignite insulator. On such controlled ignition of homogeneous plasma is, for example, plasma focus discharges known for many years. The special advantage of sliding discharge is that then Plasma is particularly homogeneous.

Vorteilhafterweise wird die Plasmaquelle gepulst betrieben, um gepulste UV-Strahlung mit möglichst hohen Momentanstrahlungsleistungsdichten zu erzielen. Es wurde erkannt, daß für eine hohe Prozeßeffizienz beim Unschädlichmachen toxischer Substanzen auf Oberflächen überraschenderweise nicht so sehr die mittlere Strahlungsleistung ausschlaggebend ist. Wichtiger ist vielmehr das Vorhandensein besonders hoher Strahlungsleistungsspitzen. Bei kurzfristig hohen Strahlungsleistungen kommt es zu einer sehr schnellen lokalen Erwärmung und darüber hinaus zu einer Anregung der beaufschlagten Substanzen in höherere Energiezustände. Es wird vermutet, daß die energetisch angeregten Substanzen nachfolgend leichter bzw. schneller Lichtquanten im UV-Bereich absorbieren und sich die Substanzen damit leichter aufspalten lassen, es in diesem Sinne zu einer synergetischen Wirkung von Photoeffekten und thermischen Effekten kommt.advantageously, the plasma source is operated pulsed to pulsed UV radiation with if possible to achieve high instantaneous power densities. It was recognized that for a high process efficiency when rendering harmless surprisingly toxic substances on surfaces not so much the average radiation power is decisive. Rather, what is more important is the presence of particularly high radiation power peaks. With high short-term radiation power, there is a very high rapid local warming and beyond to stimulate the acted substances into higher energy states. It it is believed that the energetically stimulated substances subsequently easier or faster Absorb light quanta in the UV range and the substances themselves easier to split, in this sense it becomes a synergetic Effect of photo effects and thermal effects comes.

Die Hochstromentladung kann zum Beispiel dadurch realisiert werden, daß der Plasmareaktor mit einer Kondensatorbank elektrisch verbunden wird. Nach dem Schließen eines zwischen Kondensatorbank und Plasmareaktor befindlichen elektrischen Schalters entlädt sich die Kondensatorbank und die dabei fließenden Ströme weisen Spitzenwerte auf, die zur Erzielung von Plasmatemperaturen von ca. 20.000 K bevorzugt zwischen 50 und 200 Kiloampere liegen.The High current discharge can be implemented, for example, by that the Plasma reactor is electrically connected to a capacitor bank. To the closing an electrical switch located between the capacitor bank and the plasma reactor discharges the capacitor bank and the currents flowing thereby have peak values that preferred to achieve plasma temperatures of approx. 20,000 K. are between 50 and 200 kiloamps.

Die einzelnen Strompulse haben Energien im Bereich von 10 – 100 Joule bei einer Pulsdauer von 100 ns bis einigen 10 μs bei einer Pulsleistung im Megawattbereich.The individual current pulses have energies in the range of 10-100 joules with a pulse duration of 100 ns to a few 10 μs with a pulse power in the megawatt range.

Die das Plasma beherbergende Entladungskammer muß mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt sein, um Materie zur Verfügung zu haben, welche in den Plasmazustand versetzt werden kann. Der Gasdruck liegt dabei im Bereich von 10² bis 10⁴ Pascal. Geeignete Gase sind Edelgase wie zum Beispiel Argon, Krypton oder Xenon, die Kombination eines Edelgases mit Fluor, sowie Excimergase wie zum Beispiel KrF, ArF, XeF oder XeCl. Das Gas wird so gewählt, daß dessen Ionen oder Atome während oder nach der Entladung zusätzlich zur Plasmaemission ein strahlungsemittierendes Excimer bilden. Der Arbeitspunkt ist dabei so gewählt, daß das Produkt aus Elektrodenspannung und Entladungsdruck auf der rechten Seite der Paschenkurve liegt.The discharge chamber housing the plasma must be filled with a gas or gas mixture in order to have available material which can be brought into the plasma state. The gas pressure is in the range from 10 ² to 10 ⁴ Pascal. Suitable gases are noble gases such as argon, krypton or xenon, the combination of a noble gas with fluorine, and excimer gases such as KrF, ArF, XeF or XeCl. The gas is selected so that its ions or atoms form a radiation-emitting excimer during or after the discharge in addition to the plasma emission. The operating point is chosen so that the product of the electrode voltage and discharge pressure lies on the right side of the Paschen curve.

Das durch die Hochstromentladung generierte Plasma weist vorteilhafterweise eine Temperatur im Bereich zwischen 5 eV und 30 eV auf (1 eV = 1,6·10'⁹ J/k_B; k_B Boltzmann-Konstante), da dann elektromagnetische Strahlung im oben genannten gewünschten Wellenlängenbereich emittiert wird. Um diese Temperaturen aufzuweisen, darf das Plasma nicht komprimiert sein, da es sich durch Komprimierung aufheizt und zunehmend im Röntgenbereich Strahlung emittiert. Bei entsprechender Geometrie des Plasmareaktors kann sich das Plasma, bedingt durch sein Eigenmagnetfeld, frei ausdehnen. Sowohl durch die dynamische Bewegung des Plasmas, als auch durch die großflächige Entladungsgeometrie kann die Elektrodenerosion vorteilhafterweise reduziert werden.The plasma generated by the high-current discharge advantageously has a temperature in the range between 5 eV and 30 eV (1 eV = 1.6 × 10 ⁹ J / k _B ; k _B Boltzmann constant), since then electromagnetic radiation in the above-mentioned desired Wavelength range is emitted. In order to have these temperatures, the plasma must not be compressed, since it heats up due to compression and increasingly emits radiation in the X-ray range. With the appropriate geometry of the plasma reactor, the plasma can expand freely due to its own magnetic field. The electrode erosion can advantageously be reduced both by the dynamic movement of the plasma and by the large-area discharge geometry.

Die geladenen Partikel des Plasmas erfahren Beschleunigungen oder kollidieren und emittieren deshalb Strahlung, die bei dieser Plasmatemperatur im UV-Bereich, und besonders vorteilhaft im UVC-Bereich (λ= 180–280 nm) liegt. Emittiert wird ein kontinuierliches Spektrum, welches durch ein diskretes Spektrum überlagert wird. Zum Zwecke der Reinigung oder Desinfektion von Oberflächen kann somit durch diese Breitbandanregung jede zum Aufbrechen von chemischen Bindungen erforderliche Wellenlänge zur Verfügung gestellt werden, was einen universellen Einsatz der UV-Strahlungsquelle zuläßt. Diese emittiert dabei auch bei größeren Wellenlängen, womit eine zusätzliche Erwärmung der zu beaufschlagenden Oberflächen erreicht werden kann. Die UV-Lampe kann daher als grauer Strahler beschrieben werden.The charged particles of the plasma experience accelerations or collide and therefore emit radiation at this plasma temperature in the UV range, and particularly advantageous in the UVC range (λ = 180-280 nm) lies. A continuous spectrum is emitted, which is characterized by a discrete spectrum is superimposed becomes. For the purpose of cleaning or disinfecting surfaces thus by this broadband excitation each for breaking chemical Bindings required wavelength to disposal be put what a universal use of the UV radiation source allows. This emits even at longer wavelengths, with what an additional warming of the surfaces to be applied can be achieved. The UV lamp can therefore be used as a gray lamp to be discribed.

Die bei Pulsbetrieb erzielbare Strahlungsdichte ist grundsätzlich wellenlängenabhängig und hängt damit davon ab, bei welcher Wellenlänge der Schwerpunkt des Emissionsspektrums liegt. Sie beträgt nie weniger als 100 mW/cm² und reicht im besonders interessanten UVC-Bereich bis in den MW/cm² – Bereich.The radiation density that can be achieved with pulse operation is fundamentally dependent on the wavelength and therefore depends on the wavelength at which the center of gravity of the emission spectrum lies. It is never less than 100 mW / cm ² and extends in the particularly interesting UVC range up to the MW / cm ² range.

Die das Plasma beherbergende Entladungskammer muß maßgeblich eine Bewegung des Plasmas entlang der Elektroden ermöglichen. Hierzu eignen sich koaxiale Elektrodensysteme wie in der EP 0 254 111 B1 beschrieben, Elektrodensysteme als Zylinder, Rohre oder Kästen, aber auch ganz einfach zwei parallele Platten, über die die Plasmaschicht propagiert. Die äußere Elektrode kann als solider Körper, als Netz oder in Form von Stäben ausgeführt sein. Äußere und/oder innere Elektrode können zwecks Unterstützung eines homogenen Plasmaschichtaufbaus durch einen Isolator in Form eines Rohres oder einer Scheibe getrennt sein.The discharge harboring the plasma Chamber must significantly allow movement of the plasma along the electrodes. Coaxial electrode systems such as those in the EP 0 254 111 B1 described, electrode systems as cylinders, tubes or boxes, but also simply two parallel plates, through which the plasma layer propagates. The outer electrode can be designed as a solid body, as a mesh or in the form of rods. The outer and / or inner electrode can be separated by an insulator in the form of a tube or a disk in order to support a homogeneous plasma layer structure.

Die entstehende UV-Strahlung wird über ein geeignet positioniertes Transmissionsfenster nach außen geleitet. Eine Auskopplung kann dabei entlang der Achse eines koaxialen Elektrodensystems erfolgen, oder auch seitlich. Günstige Materialien für das Transmissionsfenster sind synthetische Quarze wie z.B. Suprasil der Firma Heraeus, oder aber UV-stabile Kristalle wie zum Beispiel LiF oder MgF. Letztere eignen sich besonders im Wellenlängenbereich von 150–170 nm. Die genannte Materialien haben den Vorteil, daß sie bis ca. 150°C temperaturstabil sind und ihre UV-Transmission auch bei starker UV-Bestrahlung weitgehend erhalten bleibt.The resulting UV radiation is over a suitably positioned transmission window directed outwards. A decoupling can take place along the axis of a coaxial electrode system, or laterally. Cheap Materials for that Transmission windows are synthetic crystals such as SUPRASIL from Heraeus, or UV-stable crystals such as LiF or MgF. The latter are particularly suitable in the wavelength range from 150-170 nm. The materials mentioned have the advantage that they are up to approx. 150 ° C are temperature stable and their UV transmission even under strong UV radiation largely preserved.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll das erfindungsgemäße Verfahren an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.Without restriction of the general inventive concept, the method according to the invention on an embodiment explained become.

Die einzige 1 zeigt als Prinzipbild eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung. Innere (1) und äußere (2) Elektrode des Plasmareaktors sind als Zylinder mit gemeinsamer Achse (3) ausgebildet, können allgemein eine Länge zwischen 1 cm und 30 cm haben, und weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Länge von ca. 12 cm auf. Günstigerweise wird die Länge so gewählt, daß das Produkt aus Plasmageschwindigkeit v und der Entladungsdauer des Plasmas kleiner als diese Länge ist, da dann keine Erosion am Ende des Zylinders auftritt. Der Außendurchmesser des äußeren Zylinders beträgt 12 cm. Der innere Zylinder besteht aus Kupfer und hat einen Außendurchmesser von 2 cm bei einer Materialstärke von 4 mm. Über das eine Ende ist ein Rohr (4) aus elektrisch isolierendem Quarzglas gestülpt. Dieser Isolator unterstützt den Aufbau einer Plasmaschicht.The only 1 shows as a schematic diagram a device suitable for the inventive method. Interior ( 1 ) and outer ( 2 ) The electrode of the plasma reactor is a cylinder with a common axis ( 3 ), can generally have a length of between 1 cm and 30 cm, and in this exemplary embodiment have a length of approximately 12 cm. The length is advantageously chosen so that the product of the plasma velocity v and the discharge duration of the plasma is less than this length, since then no erosion occurs at the end of the cylinder. The outer diameter of the outer cylinder is 12 cm. The inner cylinder is made of copper and has an outer diameter of 2 cm with a material thickness of 4 mm. There's a pipe over one end ( 4 ) made of electrically insulating quartz glass. This insulator supports the build-up of a plasma layer.

An die Elektroden wird über einen Schalter (5) eine Spannung (6) im Bereich von 5 kV bis 20 kV angelegt, die von einer Kondensatorbank zur Verfügung gestellt wird. Kondensatorbank, Zuleitungen und Entladekammer bilden einen elektrischen Schwingkreis, dessen Spitzenstrom während eines Entladevorgangs ca. 100 kA beträgt. Zwischen den Elektroden befindet sich Krypton bei einem Druck von ca. 2 mbar. Über dem Isolationsrohr findet eine kontrollierte Gleitentladung statt, die zur Ausbildung eines homogenen Plasmas (7) führt, welches eine Temperatur von ca. 10 eV besitzt. Die Ionen des Kryptons emittieren in der Entladung die Strahlung. Befindet sich beispielsweise Fluor in der Entladung, so kommt es zusätzlich zur Excimeremission. Aufgrund des Eigenmagnetfeldes des Entladestromes läuft das Plasma frei in Richtung des Isolatordeckels, ohne eine Komprimierung zu erfahren. Die Geschwindigkeit v der Plasmaschicht beträgt einige 10⁴ m/s. Durch eine größere Laufstrecke des Plasmas bzw. größeren Zylinderlängen kann die Strahlungsausbeute vorteilhaft gesteigert werden. Über ein für UV-Strahlung durchlässiges Transmissionsfenster (8) aus Suprasil^® wird die UV-Strahlung seitlich nach außen geführt. Die erzielte gemittelte Strahlungsleistung beträgt bei einer Ladespannung von 10 kV ca. 100 mW/cm² bei einer Momentanstrahlungsleistung von mehr als 10 kW/cm².A switch ( 5 ) a tension ( 6 ) in the range from 5 kV to 20 kV, which is provided by a capacitor bank. The capacitor bank, supply lines and discharge chamber form an electrical resonant circuit, the peak current of which is approximately 100 kA during a discharge process. Krypton is located between the electrodes at a pressure of approx. 2 mbar. A controlled sliding discharge takes place over the insulation tube, which leads to the formation of a homogeneous plasma ( 7 ) which has a temperature of approx. 10 eV. The ions of the krypton emit the radiation in the discharge. If, for example, fluorine is in the discharge, excimer emission also occurs. Due to the intrinsic magnetic field of the discharge current, the plasma runs freely in the direction of the insulator cover without being compressed. The speed v of the plasma layer is a few 10 ⁴ m / s. The radiation yield can advantageously be increased by a longer running distance of the plasma or longer cylinder lengths. Via a transmission window that is transparent to UV radiation ( 8th ) made of Suprasil ^® , the UV radiation is guided sideways to the outside. The averaged radiation power achieved at a charging voltage of 10 kV is approx. 100 mW / cm ² at an instantaneous radiation power of more than 10 kW / cm ² .

Claims

Method for generating ultraviolet (UV) radiation, in which the radiation-emitting medium is a plasma, characterized in that the plasma is generated by means of a pulsed high-current discharge and, driven by the inherent magnetic field of the discharge current, propagates along the electrodes.

A method according to claim 1, characterized in that the plasma moves at a speed greater than 10 ³ m / s.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that that this Plasma has a temperature in the range between 20,000 Kelvin and 500,000 Kelvin owns

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that this Plasma has a temperature in the range between 50,000 Kelvin and 300,000 Kelvin owns.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the Discharge at peak currents is operated by more than 15 kiloamps.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the Discharge at peak currents is operated in the two to three-digit kiloampere range.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the emissivity of the plasma in the UV wavelength range (λ = 180-280 nm) larger than Is 0.1.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that mainly jet tion in the UVC range, ie radiation in the wavelength range of 180-280 nm, is emitted.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the instantaneous radiation density is more than 10 kW / cm ² .

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the existence coaxial electrode system is used.