Введение к работе
Актуальность темы. После активного изучения эксинлексных лазеров и кинетических процессов, происходящих в их активных средах, возрос интерес к- изучению источников спонтанного излучения па связанно-свободных переходах эксимерных и эксинлексных молекул (эксиламп). Это обусловлено тем, что во многих технических приложениях достаточно использовать некогерентный, но мощный источник, излучающий в относительно широком диапазоне длин волн. Кроме того, эксилампы просты в изготовлении, не критичны к мощности накачки и допускают различные конфигурации активной области. Эксилампы не требуют для своей работы привлечения специальных оптических элементов (затворов, призм, зеркал и т.д.) и их КПД обычно превышает КПД источников -когерентного излучения. Все вышесказанное определяет широкие возможности использования эксиламп в микроэлектронике, для организации фотопроцессов'осаждения, очистки и т.п.; в экологии, для разрушения токсичной органики; в медицине и биологии. Ввиду непорогового характера зависимости спонтанного излучения от мощности и типа накачки возможности использования различных типов разрядов для возбуждения эксиламп значительно шире, чем для лазеров. Очень часто способы, системы и режимы накачки эксимерных' сред, имеющие ограниченные возможности для создания лазерной генерации, тем не менее пригодны для создания источников с высокой средней мощностью эксимерной флуоресценции. К середине 90-х гг. было опробовано несколько типов эксимерных и эксиплексных источников спонтанного ультрафиолетового (УФ) и. вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения, в которых для возбуждения рабочей среды использовались барьерный разряд, объемный разряд с УФ-нредыонизацией и микроволновой разряд. В этих исследованиях основное внимание было уделено спекіральному составу излучения и кинетике образования эксимерных молекул. К началу нашей работы были также апробированы схемы возбуждения продольным и искровым разрядами. Однако в известных
публикациях осталось практически не изучено влияние способа накачки, типа разряда, сосгава и давления рабочей смеси на амплитудно-временные и энергетические характеристики излучения эксиламп.
Отметим, что для получения ультрафиолетового излучения в настоящее время широко используются ртутные лампы, а'также ксепоновые и криптоновые лампы, которые выпускаются серийно. Но для этих типов ламп, по сравнению с эксилампами, характерны широкие полосы излучения с малой эффективностью в отдельных спектральных областях.
Исходя из широких потенциальных возможностей использования эксиламп в промышленности и для научных исследований, а также из многообразия способов получения спонтанного ультрафиолетового излучения, актуальной является задача исследования различных способов, систем и режимов накачки эксиламп и определение условий получения максимальных эффективностей излучения эксимерных и эксиплексных молекул.
Целью настоящей работы, начатой в 1993 году, явилось определение условий получения эффективного УФ и ВУФ излучения эксиплексных молекул при возбуждении разными типами разряда, а также создание, экспериментальное и теоретическое исследование источников спонтанного излучения со сравнительно узкими полосами излучения в отдельных спектральных областях, в частности, в области длин волн 200-250 им.
Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач: 1) анализ и оценка известных данных но получению и исследованию спонтанного УФ и ВУФ излучения; 2) создание и исследование лабораторных источников спонтанного УФ и ВУФ излучения; 3) изучение влияния параметров накачки, способа возбуждения и состава рабочей смеси на среднюю мощность и эффективность излучения; 4) анализ экспериментальных результатов для определения механизмов, ответственных за получение эффективной эмиссии, и моделирование процессов в оптических средах.
Актуальность работы подтверждена: 1) получением іранта РФФИ №9-02-16668-а (1996 и 1997 гг.) "Эффективное излучение эксимерных молекул в электроразрядной плазме низкого давления"; 2) включением на конкурсной основе проекта но теме диссертации "Создание зксиламн с высокой средней мощностью" в Государственную научно-ісхническую проірамму "Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция" в 1995 году; 3) контрактом № В266538 на исследование и поставку KrCl-эксилампы между Институтом сильноточной электроники СО РАН и Лоуренсовской Ливерморской национальной лабораторией, исполнение которого проводилось в 1993-1995 годах; 4) грантом № а96-66 программы "Соросовские аспиранты и студенты" (Дж. Сороса) института ISSEP.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались стандартные методы регистрации спектров излучения (спекіроіраф ИСП-30, монохроматор МДР-23), амплитудно-временных характеристик излучения (вакуумные фотодиоды ФЭК-22СПУ и осциллографы С8-17, С8-14, С7-19), средней мощности излучения (калориметр ИМ0-2Н) и вольт-амперных характеристик, импульсных и стационарных разрядов на специально созданных для Э'гого лабораторных источниках спонтанного излучения (целители напряжения, токовые шунты и осциллоірафи С8-17, С8-14, С7-19). Для проверки экспериментальных данных осуществлялся повторный эксперимент и использовались разные схемы измерения.
Положения, выносимые на защиту:
1) При реализации однородного разряда и низкой но отношению к скорости излучатель!юго распада скорости безызлучателыюй релаксации рабочих молекул эффективность излучения КгС1* и ХеС1* эксиплексоа относительно мощности накачки а положительном столбе тлеющего разряда превышает 25%.
2)1 В смесях Не-СІ2 при накачке тлеющим разрядом низкого давления реализуется высокая эффективность спонтанного излучения молекул СІ2* (~ 5%) в области длин волн «258 нм.
3) В смесях Nc-Kr-HCl при уменьшении рабочего давления
эффективность образования молекул за счет тройной ион-ионной
рекомбинации уменьшается, а гарпунная реакция при увеличении
концентрации НС! не может компенсировать снижение эффективности из-
за снижения температуры электронов и соответственного уменьшения
скорости образования возбужденных атомов криптона.
-
При накачке импульсным разрядом наибольшие эффективности излучения KrCl* и ХеС1* молекул достигаются в смесях с СІ2, при давлениях (1-20 мм рт.ст.), при длительностях импульсов накачки (> I мс) и мощностях накачки < 1 Вт/см3.
-
В непрерывном тлеющем разряде, не ограниченном стенками, в смесях инертных газов с галогенами при увеличении рабочего давления до 10 мм рт.ст. и при разрядных токах 1-Ю мА реализуются точечные области, эффективно излучающие в УФ области спектра.
Достоверность результатов подтверждается: 1) согласием экспериментальных данных об эффективности спонтанного ихіучения XeCl* и KrCl* молекул в тлеющем. и продольном разряде в сопоставимых условиях с результатами (Taylor R.S., Leopold К.Е., and Tan K.OU99J, Головицкий А.П. 1992, Головицкий А.П., Кап B.C. 1993 и др.); 2) совпадением ряда результатов натурных зксперимеїггов, в частности, экспериментов с объемным разрядом в лампе самостоятельного разряда с искровой подсветкой и в экспериментах с ХеС1-лампой тлеющего разряда низкого давления с теоретическими оценками и расчетом.
Научная новизна: 1) найдены условия возбуждения КгС! и ХеС1-срсд, оптимальные применительно к задаче увеличения средней мощности и эффективности спонтанного излучения; 2) впервые исследованы СІ2 и Не-СІ2 оптические среды в условиях возбуждения тлеющим разрядом низкого давления,- 3) исследованы механизмы образования молекул KrCl* в смесях Ne(He)-Kr-HC) при уменьшении рабочего давления; 4) предложены и апробированы новые эксилампы на основе тлеющего разряда низкого давления. (Заявки на патент: №94028315 ог 27.07.94, положительное
решение от 29.06.95; №95121858 от 26.12.95, положительное решение от 27.06.96; №95117515 от 16.10.95, положительное решение от 08.08.96)
Научная и практическая ценность: 1) в рамках подробной кинетической модели КтО-лампы установлена роль галогеноносителя НС1^ который с понижением давления смесей эффективно охлаждает электроны, уменьшает наработку возбужденных состояний криптона и снижает число молекул KrCl*, возникающих за счет гарпунной реакции; - 2) дано объяснение высокой эффективности спонтанного иалучения тлеющего разряда в бинарных смесях Хе(Кг)-СІ2, согласно которому скорости образования и высвечивания эксиплексных молекул в плазме тлеющего разряда принимают близкие но порядку величины значения; 3) созданные лабораторные образцы коаксиальных и цилиндрических эксиламп с накачкой разрядами различных типов (тлеющим разрядом низкого давления и импульсным продольным разрядом) позволяют получать спонтанное ультрафиолетовое излучение в области длин волн Х»308 им (ХеС1*), Х«222 нм (KrCl*) и Я^258 нм (СІ2*) со средней мощностью излучения до 200 Вт и эффективностью до 15%; 4) предложенный способ увеличивает импульсную мощность спонтанного излучения коаксиальной ХеС1 и KrCl эксиламп соответственно а 2.3 и 3.8 раза по сравнению с мощностью излучения, реализуемой при накачке барьерным разрядом; 5) предложенная рабочая среда лампы тлеющего разряда низкого давления позволяет снижать напряжение зажигания разряда до 50% и до 1.5 раза увеличивает мощность спонтанного излучения; 6) предложенный способ для указанного диапазона значений длительности импульса накачки увеличивает среднюю мощность и КПД лампы тлеющего разряда с электроотрицательными газами в рабочей смеси на 15% по сравнению со стационарной накачкой; 7) полученный массив данных об условиях возбуждения и рабочих смесях для эксиламп с различными типами накачки (тлеющим разрядом низкого давления, продольным импульсным и барьерным разрядом) позволяет выбирать оптимальные, с точки зрения
получения максимальной средней мощности конструкции излучателей и
рабочие смеси. і
Сведения о внедрении результатов диссертации: KrCl-эксиламш со средней мощностью излучения >100 Вт в области длин волн <250 нм передана Лоуренсовскую Ливерморскую национальную лабораторию (США).
. Предложения по использованию результатов работы: 1) материалы первой главы,- где дается обзор работ, посвященных созданию УФ и ВУФ источников спонтанного излучения, целесообразно использовать в учебном процессе при чтении курсов, посвященных квантовой электронике и фотонике, для освещении их современного состояния; 2) результаты второй, третьей, четвертой и пятой глав, где излагаются данные о способах и условиях возбуждения эксиламп с различными типами ' накачки, целесообразно применять при разработке технологического оборудования, предназначенного для использования при производстве изделий микроэлектроники, для низкотемпературного окисления опасных органических соединений, для закрепления лаков и красок в полиграфии.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на следующих конференциях:х1) научно-технический семинар "Энергетика: экологии, безопасность, надежность". Томск, 1994; 2) 2-я Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул". Томск, 1995; 3) 9-я конференция но радиационной физике и химии неорганических материалов "РФХ-9". Томск, 1996; 4) Conference on lasers and Electro-Optics (CLEO-96). Anahaim, CA, 1996; 5) VHb конференция no физике газового разряда. Рязань, 1996; 6) 3-й и 4-й Международные симпозиумы Fotonics West-96. San-Jose, 1996 и 1997 гг.
Структура и объем работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях, 4 докладах международных конференций, 4 тезисах докладов, 4 патентах.
Похожие диссертации на Эффективное излучение хлоридов инертных газов в электроразрядных эксилампах
