带管形放电器的紫外线辐射器

技术领域

本发明涉及一种紫外线辐射器，该辐射器具有一个用来产生一端 介电阻挡放电的、大致成管形的、两端气密性密封的放电管。

背景技术

紫外线辐射的概念，这里是指在运行时发射出波长比可见光谱(约 380～770纳米)短的电磁辐射的辐射器，亦即波长低于大约380纳米 的辐射。特别是也包括波长小于大约200纳米的辐射，这种辐射也叫 做VUV(真空紫外线)辐射。所以，紫外线辐射器不适用于照明目的， 例如一般照明。确切地说，这种辐射器适用于处理技术，特别是表面 净化和活化、光解、产生臭氧、饮水净化、金属化和紫外线。

特别是，本发明也涉及高功率的紫外线辐射器，即长的辐射器， 例如长度一般为几10厘米至大约2米或更长。

基于介电阻挡放电的紫外线辐射器已被证明是特别有效的，特别 是当这种辐射器按US 5 604 410所述的脉动式的运行方法运行时。

根据定义，“介电阻挡放电”的概念有至少一个所谓的介电阻挡 的电极。一个介电阻挡的电极是用一种电介质与放电管或放电介质的 内部隔开的，例如在这种电介质中，电极布置在一般为玻璃或别的电 介质制成的放电管的壁的外侧。这种电极在下面简称为“外电极”。

本发明涉及一种具有至少一个上述形式外电极的紫外线辐射器。 此外，这种紫外线辐射器包括一个管形的、两端密封地放电管，该放 电管包封一种放电介质。作为放电介质可用一种可电离的充气，这种 充气一般由一种惰性气体组成，例如氙或带有一种添加缓冲气体例如 氖的气体混合物，或卤素添加剂入如氯、氟等。在放电管中，布置了 至少一个电极，这个电极下面简称为“内电极”。这个内电极无阻挡 地即直接地与放电介质接触。亦即这是一种基于一端介电阻挡放电的 紫外线辐射器。

在运行时，内电极和外电极之间加一个高电压，并由此在放电管 内部产生气体放电。由于高的辐射效率，最好用上面提及的US 5604410 所述的脉动式运行方法，特别是单极电压脉冲。考虑到接触保护，该 外电极最好用零电位对地连接(“接地”)。内电极供给负电压脉冲， 亦即在每个电压脉冲过程中起阴极作用。有关的细节可参考US5 604 410。在放电过程中，放电管内形成所谓激发物。激发物即激发分子， 例如Xe2*，XeCl*，它们在恢复到通常无束缚的或最多是微弱束缚的基本 状态时发射电磁辐射。在Xe2*或XeCl*的情况中，分子带状辐射最大分 别为172纳米或308纳米左右。

在先有技术文献WO 01/35442中，提出了一种具有管形放电管的 紫外线辐射器。在该放电管内，中心轴向布置了一个螺旋形电极。在 该放电管的外侧，在整个圆周上均匀分布许多平行于管轴线延伸的条 形电极。这样，该辐射器实际上均匀地在整个圆周上，亦即旋转对称 地即没有方向地进行辐射。为了平的表面可有效地进行辐射，需要用 附加的反射器来把尽可能多的辐射均匀反射到被辐射的表面。还为了 能够制造长度大于20厘米的辐射器，为中心内电极设置了一个支架， 例如一根轴向支承管。但在很长的辐射器时，特别是长度大于大约1 米，由于支承管的断裂危险的不断增加，制造起来就更加困难。另一 方面，必须避免内电极的垂度，因为垂度对沿着整个辐射器产生的辐 射的均匀性造成负面影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有管形放电管和非旋转对称辐射特性 的紫外线辐射器。另一方面，是提出制造高功率辐射器即长辐射器以 及达到高辐射效率的方案。

这个目的是通过这样一个紫外线辐射器来实现的，该紫外线辐射 器具有一个用来产生一端介电阻挡放电的、大致呈管形的、两端气密 性密封的放电管和至少一个纵向平行于该放电管纵轴线定向的内电极 和外电极，其特征为，在该放电管的管形部分的假想的第一半管的内 侧布置至少一个内电极，并在与之相对的假想的第二半管的外侧布置 至少一个外电极，其中，这两个对置的半管由一个包含该管形放电管 纵轴线的、通过该放电管的虚拟断面来限定。

特别有利的方案可从各项独立权利要求中得知。

换句话说，可假设放电管的管形部分被一个虚拟的纵断面分成相 等的两半。至少一个内电极布置在假想的第一半管的内侧。至少一个 外电极布置在假想的第二半管的外侧，即至少在一个内电极和一个外 电极的情况中，基本上是径向布置的。即使在下面的分析中不总是明 确指出时，也应记住放电管分成两半管是不真实的，而是纯粹虚拟的， 只是用来更精确地说明内电极和外电极的布置而已。

内外电极的大致径向的布置一方面由于相对于放电管直径的大的 放电击穿间隙而具有高辐射效率的优点，这可从上面提及的US 5604 410中得知。另一方面，又可避免基本上旋转对称的辐射特性而达到定 向的辐射特性。

为此，在最简单的情况中，在放电管的第二半管的外侧上相对于 内电极布置一个条形的或面形的外电极。在后一种情况中，在管形放 电管的圆周方向内观察到的外电极的空间延伸大致通过放电管虚拟的 第二半管的整个相应的空间延伸。其中，面形的外电极例如可通过涂 敷来实现，也可通过适当成型的金属件来实现，放电管的第二半管的 外侧可埋入该金属件中。外电极的面形实施方式具有这样的优点，即 外电极同时还可以作为紫外线辐射的反射器用，从而更进一步改善了 对准目标的辐射。为此，外电极必须选用对紫外线辐射具有足够反射 性能的材料，例如铝。

不用面形的电极，也可用多于一个例如两个、三个或更多个的条 形外电极。这样就可接近于一个面形的外电极的辐射特性而又不存在 由于大的电极面积而引起的、不希望有的大的电容性负载。其中，虽 然电极可相对于放电管的整个圆周进行不对称的布置，但最好对称于 一个剖开虚拟的半管的平面，这个平面从横截面观察表示相 当于假想半管的半圆的中垂线。此外，还证明了例如两个条形外电极 的辐射效率高于一个例如半面镜面化形式的面形外电极的辐射效率； 而且还可获得比只有一个条形外电极高的辐射功率。

从后一个理由考虑，用多于一个的内电极，也是有利的，这时这 些内电极同样相对于那个剖开假想半管的平面对称布置，该平面—— 从横截面观察——表示相当于假想半管的半圆的中垂线。如果属于这 些内电极的半管作为辐射面使用，亦即特别是当另一半管绝大部分或 完全被一个或多个外电极覆盖时，这些内电极最好相当接近于假想的 切面定位，但只能接近到这样的程度，使之离相邻的外电极仍保留足 够的距离。这样就可获得尽可能大的无电极的辐射面。但也可把属于 外电极的另一半管完全考虑为优选的辐射面。究竟哪一边有利，最终 取决于整个电极具体布置的细节。

与外电极不同的是，内电极不能用条形电极，因为后者一般用导 银印制导线之类制成。由于效率原因，内电极没有涂敷一层附加的介 电层，因而没有与放电介质隔开(一端介电阻挡放电)，即在灯运行 过程中，这种电极导线的微量的残余溶剂和类似的挥发成份被蒸发出 来，从而到达放电介质并使辐射产生变坏到不可接受的程度。内电极 可用尽可能纯的金属导线来代替。

在长的辐射器中，通常需要把至少一个内电极固定在放电管的第 一半管的内侧。为此，最好用一个固定在第一半管内侧的支架。该支 架例如可根据辐射器的长度由一个或多个短的管件、半管件或环组 成，长的内电极可穿过它们。这样，即使在很长的辐射器例如长度大 于大约1米时，内电极也可足够支撑在放电管的上述内侧而不产生明 显的下垂。内电极例如设计成可特别容易穿过“环状”支架的棒。另 一种方案是，内电极可设计成螺旋形，这种螺旋形在穿过支架时要费 事一些，但具有这样的优点，即在螺旋形和一般为条形的外电极之间 的一些精确界定的优选位置上形成十分均匀分布的脉动式运行方法产 生的大量局部放电。这方面的细节可参考US-A6060828，尤其是其中 结合图5a～5c进行的说明。至少一个内电极必须用金属最好用钼或钨 制成。也可用镀覆别的金属如铂的金属导线；这个方案特别适用于含 卤素的或别的腐蚀性放电介质。其中，螺旋形不必一定是旋转对称的， 亦即三维的。确切地说，螺旋线也可以是扁平的，例如一条正弦曲线。 扁平方案甚至还支持定向辐射特性的目的。特别重要的是，内电极在 装入放电管之前必须是很干净的，因为污染会损害紫外线产生的效 率。

支架用耐温的介电材料最好用玻璃、石英玻璃或陶瓷制成。支架 最好用放电管壁的相同材料。这样，支架通过与放电管的简单的熔接 即可固定在内侧上。另一种办法是，支架也可用玻璃焊料固定，但由 于在放电管封闭之前玻璃焊膏挥发的溶剂污染放电介质，所以用玻璃 焊料是有问题的。

下面结合一些实施例来详细说明本发明。

附图说明：

图1a具有一个棒形内电极和两个条形外电极的本发明紫外线辐射 器的侧视图；

图1b沿图1a剖切线AB剖开的紫外线辐射器的横截面；

图1c图1b所示横截面的C区的放大图；

图2具有三个条形外电极的本发明紫外线辐射器的一个对应于图 1b方案的横截面；

图3具有四个条形外电极的本发明紫外线辐射器的一个对应于图 1b方案的横截面；

图4具有五个条形外电极和两个棒形内电极的本发明紫外线辐射 器的一个对应于图1b方案的横截面；

图5具有一个面形外电极和一个棒形内电极的本发明紫外线辐射 器的一个对应于图1b方案的横截面；

图6内电极具有一个修改了的管形支架的本发明紫外线辐射器的 一个对应于图1b方案所示横截面C区的放大图；

图7内电极具有一个半管形支架的本发明紫外线辐射器的一个对 应于图1b方案所示横截面C区的放大图。

下面参照图1a～1c示意画出的一个紫外线辐射器1的侧视图、沿 剖切线AB剖开的横截面图或C区的放大图。紫外线辐射器1具有一个 大致呈管形的石英玻璃放电管2，其一端构成一个钟形帽3，包括一个 熔封的排气嘴3a，而其另一端则用一个挤紧密封4进行气密性密封。 放电管2充有150毫巴压力的氙。该放电管的管形部分5以大约68厘 米的长度构成设计电功率消耗约为50瓦的紫外线辐射器1的主要部 分。该放电管的总长度约为72厘米。管形部分5的内直径和外直径分 别为28厘米或30厘米。图1b中的管形部分5通过一个包括纵轴线L 的假想切面S分成假想的两半5a、5b。在第一半管5a的内侧，布置了 一个用1毫米粗的钼丝制成的内电极6，该钼丝在半管5a的整个长度 上平行于放电管2的纵轴线延伸。借助三个作为支架用的8毫米长的 石英管件7(见图1c)把棒形内电极6这样固定在第一半管5的内侧， 使到上述假想切面S的距离达到最大。石英管件7直接与放电管壁熔 接。其内直径只稍大于内电极6的直径，所以，虽然内电极6仍穿过 业已固定在第一半管5a内侧上的石英管7，但仍是可靠固定的。内电 极6穿过挤紧密封4气密向外引出。在第二半管5b的外侧上，平行于 放电管2的纵轴线布置了两个分别为2毫米宽的银焊料条形外电极 8a、8b。它们对应的最短距离为27厘米，这两个外电极8a、8b相对 于假想切面S这样对称定位，使两个外电极到这个平面S具有相同的 距离。在脉动式运行过程中，构成两个由大量局部放电组成的放电平 面(未画出)，即在内电极和两个外电极之一之间各构成一个放电平 面。有关局部放电的其他细节可参考上面提到的US5604410。

当然本发明制造比图1a长的辐射器也是不成问题的，在这种长的 辐射器中设置了三个以上的支点(未画出)。

在一个未画出的方案中，内电极不是由棒形导线制成，而是由螺 旋导线制成。为此，支架部分例如短的管件或环首先与放电管壁连接， 然后螺旋导线穿过支架部分。

图2至5表示本发明紫外线辐射器的几种方案，这些方案只是相 应的电极结构有所区别，所以相同的特征用相同的附图标记表示。

图2表示具有三个条形外电极9a～9c的本发明紫外线辐射器的一 个相当于图1b方案的横截面。由于内电极6和中间外电极9b之间的 较大的放电距离，只有在馈入的电功率高于另外两个放电平面即位于 内电极6和两个“外部”外电极9a或9c之间的放电平面时，才构成 中间放电平面(未画出)。

图3表示具有四个条形外电极10a～10d的一种方案的横截面。

图4表示具有五个条形外电极11a～11e和两个棒形内电极12a、 12b为供电电压第一极性设置，而全部外电极11a～11e则为供电电压 的第二极性设置。两个内电极12a、12b的每一个各用一个半管件13a、 13b固定在相应半管5a的内侧。随着不断增加的输入功率，首先分别 在一个内电极12a、12b和相邻的外电极11a、11e之间形成一个放电 平面，然后依此分别在内电极12a、12b和下一个外电极11b、11d之 间形成另一个放电平面，直至最后在足够高的功率输入时形成全部放 电平面。这两个内电阻13a、13b是这样定位的，即在它们之间形成一 个相当大的无电极的辐射面。

图5表示具有一个面形外电极14和一个带支架7的棒形内电极6 的本发明紫外线辐射器的一个相当于图16方案的横截面。外电极14 由一层覆盖相应半管5b整个外侧的铝层组成。在运行过程中，内电极 6和整个面形外电极14之间产生相当扩散的放电。

图6表示本发明紫外线辐射器的一个对应于图1b方案所示C区的 放大图。在这里，内电极6的支架共由三个管件15(只能看到一个管 件的横截面)组成，其内直径明显大于导线形内电极6的直径。所以， 内电极6可比较简便地穿过预先安装在半管5a内侧上的管件15。此 外，较大的内直径具有这样的优点，即在支架区不产生或至少只产生 很少的寄生表面放电。

图7表示另一个方案，它与图6的唯一区别是，内电极6的支架 设计成半管件16。