VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR ZüNDUNG UND AUFRECHTERHALTUNG EINES PLASMAS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung und Aufrechterhaltung eines Plasmas in einem Gasraum und eine entsprechende, als Resonator ausgebildete Einrichtung. Das Verfahren und die Einrichtung sind insbesondere geeignet zur Realisierung einer Plasma-Lichtquelle.

Plasma-Lichtquellen stellen einen wichtigen Anwendungsbereich für Gasentladungseinrichtungen dar. Sie können bei Niederdruck oder bei Hochdruck betrieben werden. Zur Realisierung solcher Lichtquellen werden Hohlkörper aus Glas oder Quarz verwendet. Die Hohlkörper sind mit einem Gas befüllt. Die Anregung einer Gasentladung in dem Hohlkörper erfolgt entweder durch Elektroden innerhalb des durch den Hohlkörper gebildeten Plasmaraumes oder durch außen angebrachte Elektroden.

Elektroden innerhalb des Hohlkörpers sind nicht mit allen Gasen verträglich. Das Metall der Elektroden kann von dem Gas im Plasmaraum angegriffen werden. Außerdem verdampft im Laufe der Zeit ein gewisser Teil des Elektrodenmaterials. Aufgrund dieses Elektrodenverschleißes haben solche Plasma-Lichtquellen nur eine begrenzte Lebensdauer. Zusätzlich stören die metallischen Elektroden die Lichtführung.

Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen der Plasmaraum keine Elektroden aufweist. Hier ist der Plasmaraum von den äußeren Elektroden durch ein dielektrisches Plasmagefäß

getrennt. Ein Beispiel für eine solche Lichtquelle zeigt die WO 2006/129102 A2.

Der Spannungsabfall über die Gefäßwände verringert hierbei die für die Plasmazündung effektiv verfügbare Feldstärke. Daher ist eine höhere Transformation mit höheren Verlusten verbunden. Das heißt, wenn die Elektroden außen angebracht sind, so muss ein zusätzliches Feld zur Kompensation des

Spannungsabfalls über der Wanddicke aufgebracht werden, was den Wirkungsgrad verschlechtert und den apparativen Aufbau erhöht .

Es ist auch bereits bekannt, piezoelektrische Resonanzeffekte zur Erzeugung von Plasmen auszunutzen. Krasik et al . , Ferroelectric Plasma Sources and their Application, IEEE Transactions on Plasma Sciences, Vol. 31., No. 1 (Februar 2003), S. 49-59 zeigt eine Plasmaquelle mit einem tellerförmigen Resonanzkörper und beidseitig aufgebrachten Elektroden, wobei die frontseitige Elektrode ringförmig gestaltet ist. Innerhalb der ringförmigen Elektrode bildet sich bei Anregung des piezoelektrischen Resonanzkörpers mit einer hochfrequenten Spannung ein Plasma aus. Die Anwendung einer solchen Anordnung für eine Gasentladungslampe zeigt beispielsweise US 6 157 145. Auch hier verschleißen die Elektroden bzw. sind für die Lichtführung störend.

Weitere Anwendungen für die vorliegende Lösung neben den

Lichtquellen wären andere Plasmaquellen, die bisher mit inneren Elektroden arbeiten, beispielsweise Einrichtungen zur dielektrischen Erwärmung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Zündung und Aufrechterhaltung eines Plasmas in einem Gasraum, insbesondere zur Realisierung einer Plasma-Lichtquelle, anzugeben, bei denen der negative Einfluss der bisher vorhandenen Elektroden kompensiert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach wird als Plasmaerzeuger ein Plasmagefäß mit mindestens einem Hohlraum verwendet, welches selbst mindestens teilweise aus piezoelektrischem Material besteht oder bei dem mindestens ein aus piezoelektrischem Material bestehender Resonanzkörper in den mindestens einen Hohlraum hineinragt, wobei das piezoelektrische Material durch eine äußere elektrische Anregung resonant in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen erzeugen in dem oder den Hohlräumen Feldstärken, die zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas dienen.

Das piezoelektrische Material kann beispielsweise durch einen ferroelektrischen Stoff realisiert werden. In ferro- elektrischen Stoffen kann die elektrische Polarisation analog zu ferromagnetischen Stoffen durch Anlegen einer Spannung umgepolt werden, das heißt es entsteht durch die Umpolung und die damit vorhandene mechanische Anregung des Materials entlang des gleichzeitig piezoelektrisch erregbaren Körpers eine Spannung, die bei resonanter Anregung einen Höchstwert erreicht, der zur Zündung einer Gasentladung an der Oberfläche dieses Körpers ausreichen kann.

Damit entsteht eine Anregung ohne innere Elektroden. Die räumlich entfernten äußeren Elektroden an dem Plasmagefäß erzeugen direkt im Plasma durch die mechanische Resonanz eine hohe Feldstärke.

Der oder die Hohlräume des Plasmagefäßes sind zweckmäßig mindestens an der oder den Lichtaustrittsstellen transparent, wenn eine Plasma-Lichtquelle realisiert werden soll.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist so als ein Resonator aufgebaut, dass ein Plasmagefäß, das einen oder mehrere Hohlräume enthält, mindestens teilweise aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist oder in den mindestens einen Hohlraum jeweils ein piezoelektrisch anzuregender Resonanzkörper hineinragt. Der oder die Hohlräume enthalten das zu ionisierende Gas. Durch eine elektrische Anregung über außen an dem Körper angebrachte Elektroden wird das piezoelektrische Material in resonante Schwingungen versetzt, wobei elektrische Feldstärken erzeugt werden, die zur Zündung und Aufrechterhaltung einer Gasentladung dienen, so dass das piezoelektrische Material selbst als Elektrode für das Plasma fungiert.

Ferroelektrische Materialien sind geeignet, weil sie auch immer einen piezoelektrischen Effekt aufweisen.

Dadurch, dass der Hohlraum, in dem ein Plasma angeregt werden soll, unmittelbar mit einem piezoelektrischen Resonanzkörper in Verbindung steht, der gegebenenfalls direkt aus dem den Hohlraum umgebenden Gehäuseteil besteht, und die anregenden Elektroden in jedem Fall außen an dem Gehäusekörper angebracht

sind, an die die Spannung eines Oszillators gelegt wird, sind somit die Elektroden nicht mehr störend.

Als geeignete Materialien kommen verschiedene Stoffe mit einem elektrischen Dipolmoment, zum Beispiel polykristalline Keramiken wie Bariumtitanat oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) in Frage, neuerdings auch bleifreie piezoelektrische Glaskeramiken und sogar Kunststoffe.

Durch eine geeignete Formgebung kann das piezoelektrische

Material außerdem die zur Zündung und zur Aufrechterhaltung des Plasmas notwendige elektrische Impedanztransformation übernehmen .

Für die Einrichtung sind verschiedene Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel kann das Plasmagefäß vollständig aus transparentem piezoelektrischem Material bestehen. Das Plasmagefäß ist geschlossen und hohlförmig als Kugel oder Zylinder gestaltet und ist an seiner Außenwand mit Elektroden ausgestattet.

Plasmagefäß und ein in dieses hineinragender Resonanzkörper können auch beide aus transparentem, piezoelektrischem Material bestehen und gemeinsam als Hohlkörper gefertigt sein.

Kombinationen aus piezoelektrischen mit nicht piezoelektrischen Materialien sind möglich. So kann das Plasmagefäß aus transparentem Material bestehen und eine Anformung aus piezoelektrischem Material aufweisen, an dem die Elektroden angeordnet sind. Es kann auch ein nicht

transparenter piezoelektrischer Resonanzkörper, der mit Elektroden versehen ist, in einen transparenten Plasmabehälter hineinragen .

Eine vorteilhafte Variante sind Piezokörper mit einer Vielzahl von Hohlräumen (zum Beispiel Piezoschaum) , in denen durch den Piezoeffekt Plasmen erzeugt werden. Diese können durch eine gemeinsame elektrische Schwingungsanregung gezündet oder auch einzeln angeregt werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Plasmaresonators, zum Beispiel zur Realisierung einer Plasma-Lichtquelle.

Der Plasmaresonator besteht aus einem geschlossenen Gehäuse 1, das einen Hohlraum 2 bildet, in den ein stabförmiger Resonanzkörper 3 hineinragt. Gehäuse 1 und Resonanzkörper 3 bestehen vollständig aus einem transparenten, piezoelektrischen Material, zum Beispiel piezoelektrischer Glaskeramik. Der Resonanzkörper 3 ist nach außen verlängert. An ihm befinden sich zwei Elektroden 4, an die die Spannung eines Oszillators 5 geführt wird. Der Hohlraum 2 ist mit einem zu ionisierenden Gas gefüllt.

Im Hohlraum 2 bildet sich zwischen Resonanzkörper 3 und der Innenwand des Gehäuses 1 ein Spalt 6, in welchem durch den piezoelektrischen Effekt des piezoelektrischen Materials, aus dem der Resonanzkörper 3 besteht, infolge einer Anregung durch die Oszillatorspannung ein elektrisches Feld entsteht, in dem

bei genügender Höhe eine Plasmaentladung gezündet und aufrechterhalten wird.

Die anregenden Elektroden 4, die außen am Resonanzkörper 3 angebracht sind und an die die Spannung des Oszillators 5 gelegt wird, sind somit nicht mehr störend für das von dem Plasma ausgehende Licht.

Liste der Bezugszeichen

1 Gehäuse

2 Hohlraum

3 Resonanzstab

4 Elektroden

5 Oszillator

6 Spalt