Содержание к диссертации
Введение
Глава.I Особенности конструкции и работы эксиламп барьерного разряда 17
1.1. Классификация эксиламп барьерного разряда 18
1.2. Рабочие среды и спектры излучения эксиламп барьерного разряда ...21
1.3 Эффективности и мощность эксиламп барьерного разряда 29
1.4. Источники питания эксиламп барьерного разряда 39
Глава.II Объекты и методика исследований. Экспериментальная техника 43
2.1. Источники питания эксиламп барьерного разряда 43
2.1.1. Импульсные источники напряжения 43
2.1.2. Источник напряжения гармонической формы 46
2.1.3. Генератор импульсов напряжения на основе индуктивного накопителя энергии 47
2.2. Конструкции эксиламп барьерного разряда 52
2.2.1 .Двухбарьерные лампы 52
2.2.2. Однобарьерные лампы 54
2.3. Газовые среды, методики и аппаратура экспериментальных исследований 55
2.4. Условия, влияющие на результаты измерений 59
Глава III. Исследование влияния условий возбуждения на эффективность ксеноновой однобарьерной эксилампы с катодом малого радиуса кривизны 62
3.1. Формирование объёмного разряда в ксеноновой однобарьерной эксилампе с катодом малого радиуса кривизны 62
3.1.1. Условия получения объёмного разряда в ксеноне 62
3.1.2. Опричинах формирования объёмного разряда 66
3.2. Определение оптимальных параметров возбуждения, давления рабочего газа и конструкции ксеноновой однобарьернои эксилампы 68
3.2.1. Влияние давления ксенона на среднюю мощность излучения эксиламп 69
3.2.2. Влияние добавок гелия и неона на среднюю мощность излучения квазиотпаяных эксиламп 71
3.2.3. Влияние частоты повторения, длительности и (рормы импульса напряжения на среднюю мощность излучения эксиламп на димерах ксенона 73
3.2.4. Спектрально-временные характеристики излучения 75
Глава.IV Эксиплексные лампы барьерного разряда 77
4.1. Влияние формы импульса возбуждения на эффективность излучения... 77
4.2. Влияние давления смеси на эффективность излучения 82
4.3. Влияние частоты повторения импульсов возбуждения на эффективность и формирование разряда 86
4.4. Влияние величины зазора разрядного промежутка на эффективность и формирование разряда 91
Глава. V Механизм образования конусных микроразрядов 93
5.1. Особенность формы конусного микроразряда 93
5.2. Оценка концентрации электронов в конусном микроразряде 96
5.3. Динамика зарождения конусного м икроразряда 99
Приложение 102
- Рабочие среды и спектры излучения эксиламп барьерного разряда
- Конструкции эксиламп барьерного разряда
- Определение оптимальных параметров возбуждения, давления рабочего газа и конструкции ксеноновой однобарьернои эксилампы
- Влияние давления смеси на эффективность излучения
Введение к работе
Источники спонтанного излучения - устройства, преобразующие какой-либо вид энергии (как правило, электрической) в энергию некогерентных электромагнитных волн в оптическом диапазоне длин волн. Одним из наиболее простых и перспективных источников УФ и ВУФ спонтанного излучения являются эксилампы - относительно недавно появившийся класс источников спонтанного излучения, основанный на использовании неравновесного излучения эксимерных или эксиплексных молекул. Особенностью этих молекул является их устойчивость в электронно-возбужденном состоянии и отсутствие прочной связи в основном.
Возбуждение рабочей среды эксиламп осуществляется различными способами: в непрерывных плазмодинамических источниках света это достигается при смешивании равновесного плазменного потока со специальными добавками для создания неравновесной излучающей плазмы [1], широкополосным (тепловым) изучением плазме>[ мощного электрического разряда [2, 3] электронным или ионным пучками; несамостоятельным разрядом, поддерживаемым внешним ионизатором, а также при использовании самостоятельного электрического разряда [4, 5]. Наиболее распространены в настоящее время эксилампы с возбуждением барьерным разрядом [6].
Достоинствами эксиламп барьерного разряда с точки зрения их применения являются: большая энергия фотона (3.5-И0 эВ), узкая полоса излучения, относительно высокая удельная мощность излучения, возможность масштабирования размеров и выбора произвольной геометрии излучающей поверхности. Отдельно следует отметить отсутствие ртути в эксилампах, за исключением эксиламп на галоидах ртути [7, 8]. Относительно широко распространенных ртутьсодержащих ламп, эксилампы могут быть заполнены экологически безопасными инертными газами или их смесями с галогенидами при безопасных концентрациях последних.
Мощное УФ и ВУФ излучение широко применяется в промышленности [9]: фотолитография, осаждение тонких фотоплёнок [10, 11], обработка поверхности полимерных материалов [12], очистка поверхности полупроводников [13], получение озона, разложение промышленных отходов [14], очистка выхлопных газов и т.д.; в химии - фотохимические реакции [15]; в биологии [16]; пищевой промышленности: обеззараживание [17], в том числе воды [18], УФ консервирование и т.д.
Для стерилизации воды идеально подходит ультрафиолетовое излучение диапазона длин волн 250-290 нм [19]. Ясно, что актуальным является внедрение УФ дезинфекции воды в больницах, на производствах с водозабором, в пищевой промышленности и в географических районах с жарким климатом. Сотрудники Ernesto Orlando Lawrence National Laboratory в Беркли, США [18] указывают на следующие преимущества УФ обработки воды: по сравнению с методом кипячения воды УФ дезинфекция требует в 20000 раз меньше энергии для обеззараживания одинаковых объёмов воды: данный метод полностью или почти полностью снимает необходимость хлорирования воды [18].
Традиционно для этих целей используются Hg-лампы низкого и среднего давления. Однако, в 2001-2002 гг. были проведены первые успешные испытания, в которых для подавления жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов были использованы XeBr, ХеС1 и КтС1 эксилампы [20, 21, 22].
Воздействие на газообразные выхлопы и на водные растворы, содержащие токсичные соединения, является второй по актуальности экологической проблемой в промышленности после проблемы минимизации токсичных выбросов в атмосферу. Традиционная технология преобразования токсичных веществ в нетоксичные основана на их окислении [23, 24]. В [25] сообщается о первом опыте использования KrCl и ХеС1 эксиламп для фотоокисления органических веществ в ходе УФ пробоподготовки. Проведено сравнение с ртутно-кварцевой лампой ДРФХ-204. Показано, что эксилампы обеспечивают эффективность процесса пробоподготовки, и, в некоторых случаях, сокращают время подготовки в сравнении с действием ртутной лампы. Hg-лампы низкого давления имеют максимум излучения на длине волны порядка 254 нм, тогда как максимум поглощения (Нг02) приходится на 220 нм, т.е. очень близок к максимуму излучения KrCl эксилампы (222 нм).
На сегодняшний день спектральные свойства эксимерных и эксиплекс-ных молекул изучены достаточно хорошо, на что указывает разнообразие созданных эксимерных лазеров и ламп. Однако эффективность преобразования вводимой в рабочую среду мощности в оптическое излучение в известных работах очень сильно отличается и зависит от многих факторов, например, от используемой рабочей смеси. Для дальнейшего развития эксиламп, а именно, для повышения их удельной мощности излучения, эффективности и ресурса работы требуется всестороннее изучение процессов в газоразрядной плазме эксиламп при мощном возбуждении.
Итак, во многих приложениях источников УФ и ВУФ излучения совершенно необязательно наличие когерентности и высокой плотности мощности излучения. Исходя из возможности замены лазерных источников излучения на ламповые, открываются широкие потенциальные возможности использования мощных узкополосных эксиламп барьерного разряда в промышленности и для научных исследований. Поэтому актуальными являются исследования различ- ных режимов возбуждения эксиламп и определения условий получения максимальных эффективностей излучения эксимерных и эксиплексных молекул.
Диссертационная работа проводилась в рамках исследований, выполняемых кафедрой квантовой электроники и фотоники ТГУ.
Целью работы является поиск оптимальных условий возбуждения эксиплексных и эксимерных ламп барьерного разряда, а также исследование амплитудно-временных и спектральных характеристик излучения Хе2*, KrCl* и ХеС1* молекул при возбуждении барьерным разрядом.
Задачи исследований: исследование влияния условий возбуждения на формирование объемного разряда в ксеноне при использовании однобарьерной эксилампы с металлическим катодом малого радиуса кривизны; исследование влияния условий возбуждения и различных форм барьерного разряда на амплитудно-временные и спектральные характеристики излучения эксиплексных молекул (KrCl* и ХеС1*); исследование амплитудно-временных и спектральных характеристик излучения эксимерных и эксиплексных молекул в эксилампах барьерного разряда при удельной мощности возбуждения более 0.5 Вт/см3; разработка и создание генераторов для возбуждения эксиламп с различными выходными характеристиками (мощность, частота, форма, полярность импульсов), а также отпаянных излучателей оптимальной конструкции.
Методы исследования. Для достижения поставленных целей использовались стандартные методы регистрации спектров (вакуумный монохроматор ARC (модель VM502), автоматизированная система обработки сигнала с ФЭУ); определения средней мощности возбуждения (емкостной делитель напряже- ния, резистивный токовый шунт, осциллограф Tektronix TDS 220); средней мощности излучения (фотодиод ФЭК22СПУ, микроамперметр В7-38).
Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, в ходе которого проводилось измерение энергетических, временных и спектральных параметров эксиламп барьерного разряда. На основе этих измерений и расчетом вложенной в оптическую среду энергии, по описанным во второй главе методикам, определялся КПД эксиламп. Параллельно осуществлялось взаимодействие с теоретиками из института общей физики РАН, которые моделировали разрядные и излучательные характеристики эксиламп, возбуждаемых барьерным разрядом. Излучательные характеристики отдельного микроразряда изучались на специальной установке, включающей кварцевую линзу, монохроматор ARC и осциллограф Tektronix TDS 220.
Для проверки полученных данных осуществлялся повторный эксперимент, использовались разные схемы измерений, и проводилось сравнение полученных результатов с известными из литературы данными.
Защищаемые положения, выносимые на защиту:
В ксеноновых однобарьерных эксилампах с металлическим катодом малого радиуса (менее 0.5 мм) при давлении десятки-сотни Торр формирование объёмного разряда в ксеноне обусловлено остаточной концентрацией электронов при импульсно-периодическом режиме работы и образованием плотной плазмы в прикатодной области, которая является плазменным катодом.
В смесях криптона или ксенона с хлором при барьерном разряде необходимым условием получения высокой эффективности излучения KrCl* и ХеС1* молекул является образование микроразрядов бонусной формы - пространственных зон разряда с высокой удельной мощностью возбуждения. Напротив, формирование однородного разряда и равномерное распределение мощности возбуждения по всему рабочему объему приводит к снижению эффективности излучения.
В смеси Кг:С12 или Хе:С12 в пропорции 200:0.5-1 при давлении 150-200 Торр и частотах следования импульсов возбуждения 10-200 кГц (длительность импульсов 0.5-4 мкс) установившаяся форма барьерного разряда формируется в четыре стадии. В первой стадии (0-0.02 мс) наблюдается объёмный разряд; затем (0.02-0.1 мс) на фоне объёмного свечения формируются нитевидные каналы; далее (0.1-400 мс) нитевидные каналы преобразуются в меньшее количество ярких ветвистых каналов; в четвертой (стационарной) стадии формируются только конусные микроразряды, эффективность излучения которых возрастает в несколько раз.
Снижение величины тока SOS-диода обеспечивает режим обрыва тока с частотой более 100 кГц.
Достоверность результатов: достоверность результатов, отражённых в научных положениях и выводах подтверждается тем, что измерение мощности возбуждения и мощности излучения эксиламп, проведённое несколькими методами и различными приборами, дало близкие резз^льтаты, совпадающие с точностью 10% (например, УФ излучение регистрировалось различными фотоприёмниками ФЭК22СПУ, OPH1R РЕ 25-SH); согласием результатов измерений с данными, полученными другими авторами: а) эффективности ХеС1 и КгС1 эксиламп барьерного разряда при возбуждении напряжением гармонической формы составили 8 % при удельном энер-говкладе более 0.6 Вт/см , как и в эксперименте, описанном в [26]; б) в работе [27] эффективность при короткоимпульсном высокочастотном (далее ВЧ, в диапазоне 20-200 кГц) возбуждении в сравнении с возбуждением напряжением гармонической формы ксеноновой лампы при давлении ксенона около 150 Торр была в 2.5 раза выше. Мы получили аналогичный результат; в) как и в работе [28] нами был получен объёмный разряд при низкой частоте повторения (мене 400 Гц) импульсов возбуждения эксиплексной лампы барьерного разряда.
Научная новизна: предложен комплексный подход к исследованиям влияния условий возбуждения на формирование объёмного разряда в ксеноновых эксилампах с цилиндрическим катодом малого радиуса (менее 0.5 мм) без применения УФ предыонизации. Показано, что остаточная концентрация электронов при работе в импульсно-периодическом режиме влияет на характер пробоя разрядного промежутка; исследовано влияние на эффективность эксиплексных ХеС1 и KrCl эк-силамп барьерного разряда одновременно нескольких параметров, таких как, состав и давление газовой смеси, величина межэлектродного промежутка, длительность, частота и амплитуда импульсов возбуждения; показана возможность использования SOS-диодов для получения высокочастотного (более 100 кГц) режима возбуждения эксиламп барьерного разряда (заявка на полезную модель №2002101792 от 22.01.2002); впервые описан процесс формирования барьерного разряда в виде диффузных конусных микроразрядов при включении ХеС1 и KrCl эксиламп.
Научная ценность: ,
1) в однобарьерной эксилампе с межэлектродным промежутком более 10 мм при давлении более 140 Торр получен объёмный разряд; получены данные об оптимальных условиях возбуждения, конструкциях и рабочих средах эксиламп барьерного разряда, которые позволяеот создавать УФ и ВУФ источники с высокой мощностью (более 100 Ватт) и эффективностью (до 50%) излучения; с помощью безтрансформаторного генератора на основе SOS-диода с индуктивным накопителем энергии были получены импульсы напряжения с амплитудой до 5 кВ (коэффициент перенапряжения -15), длительностью 250-300 не и частотой следования более 100 кГц.
Практическая ценность: создана отпаянная KrCl эксилампа барьерного разряда коаксиального типа с мощностью излучения на длине волны 222 нм более 100 Вт; созданы высокочастотные источники питания для возбуждения эксиламп барьерного и емкостного разряда, обеспечивающие следующие параметры при различной полярности импульсов: частота повторения - от 10 Гц до 200 кГц; амплитуда импульсов напряжения - до 10 кВ; длительность импульса напряжения - от 400 не до 10 мкс; созданы источники питания эксиламп с гармонической формой выходного напряжения с возможностью перестройки частоты от 10-^-80 кГц и амплитуды до 10 кВ.
Внедрение результатов: 1. ксеноновая ВУФ эксилампа Л.= 172 нм применялась в экспериментах НИИ полупроводниковых приборов (г. Томск) по разработке технологических процессов по изготовлению полупроводниковых приборов на основе GaAs. В частности, лампа применялась для удаления остаточного резиста с поверхности структур GaAs; полученный массив данных, посвященный влиянию условий возбуждения и рабочего давления ксенона на эффективность эксиламп барьерного разряда с катодом малого радиуса различных конфигураций, оказался востребованным компанией Heraeus Noble Light Со (Германия) для производственных целей (контракты No.DE-8/99-1 nNo.DE-13/OO-l); XeBr, XeCl и KrCl эксилампы применялись в экспериментах по изучению процесса инактивации бактерий Esherichia coli [17]. Эксперименты проводились при кафедре цитологии и генетики (Томский государственный университет, г.Томск).
4. ХеВг эксилампа использовалась для проведения экспериментов по воздействию УФ излучения на живые клетки [16] в Техническом университете (г. Эйндховен, Нидерланды).
Предложения по использованию результатов работы: обзор известных работ в первой главе, посвящённьгх исследованию УФ и ВУФ источников спонтанного излучения на основе барьерного разряда, целесообразно использовать в учебном процессе, например, при чтении курсов по фотонике; методики измерения энергетических и спектрально-временных характеристик, изложенные во второй главе, также могут быть использованы в учебном процессе при написании лабораторных работ по изучению энергетических и спектрально-временных характеристик источников спонтанного УФ и ВУФ излучения; результаты третьей, чегвертой и пятой глав, где излагаются данные о способах и условиях получения мощного УФ и ВУФ излучения с повышенной эффективностью, могут быть в перспективе использованы при разработке технологического оборудования, предназначенного для применения при произ- водстве изделий микроэлектроники, обеззараживания воды, очистки поверхности, осаждения тонких плёнок, в фотолитографии, в процессах отвердения лаков и красок и т.д.;
4. данные о новых разработках источников спонтанного УФ и ВУФ излучения на основе барьерного и емкостного разряда изложены в приложении, и могут быть полезны потенциальным производителям УФ и ВУФ эксиламп.
Апробация работ:
Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на следующих конференциях:
International Conference "Atomic and molecular pulsed lasers". Tomsk, 1999, 2001; V Всероссийская школа-семинар «Люминесценция и сопутствующие явления». Иркутск, октябрь, 1999; Photonics West-2000. San Jose, CA, USA, January, 2000; V Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Technologies. Tomsk, October, 2000;
International Conference on "Lasers 2000", December, 2000; The SP1E International Conference "Laser application in microelectronic and optoelectronic manufacturing VI", January, 2001;
Городская научно-техническая конференция по приборостроению, посвященная сорокалетию полёта Гагарина Ю.А. в космос. Томск, 2001;
IX International Symp. on the Science and Technology of Light Sources. Ithaca, NY, USA, August 2001; XIV International Conference on Gas Discharge and their Applications. Liverpool, September, 2002.
Личный вклад. Основные результаты диссертации получены либо лично автором, либо при его прямом участии. Автором была проведена работа по разработке и созданию источников для возбуждения эксиламп и колб эксиламп. При его непосредственном участии была проведена постановка, подготовка и выполнение экспериментов, а также обработка и интерпретация результатов экспериментов. Регистрация спектров излучения эксиламп барьерного разряда проводилась при участии Лисенко А. А.
Структура н объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 52 рисунков, 4 таблицы и 129 библиографических ссылок.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована задача исследований, их научная новизна, приведены практическая значимость и защищаемые положения.
В первой главе дан краткий обзор публикаций, посвященных описанию энергетических и спектральных характеристик излучения эксиламп, возбуждаемых барьерным разрядом. Рассмотрены различные конструкции ламп барьерного разряда, а также основные факторы, влияющие на эффективность эксиламп. Даётся анализ и оценка конструкций и режимов возбуждения эксиламп барьерного разряда, созданных на сегодняшний день.
Во второй главе дано описание конструкций эксиламп барьерного разряда, используемых в экспериментах, электрических схем генераторов возбуждения эксиламп, а также экспериментальной аппаратуры и методик, используемых в работе.
В третьей главе приводятся результаты исследования влияния условий возбуждения ксеноновой однобарьерной эксилампы с катодом малого радиуса кривизны на формирование объёмного разряда. Здесь же описаны причины формирования однородного разряда в эксилампе такой конструкции. Также был исследован диапазон параметров, при которых реализуется эффективный режим возбуждения ксенона в эксилампах различной конструкции при энерговкладе более 0.5 Вт/см3.
В четвёртой главе приводятся результаты исследования режимов эффективности работы ХеС1 и KrCl эксиламп коаксиального типа двухбарьерного разряда в широком диапазоне условий и уровня мощности возбуждения. Экспериментально показана возможность получения мощного УФ излучения эк-сипл ексных молекул с эффективностью до 14% при мощности возбуждения более 1 Вт/см . В этой же главе описан характер разряда при различных режимах возбуждения рабочей среды; дано объяснение увеличения эффективности горения разряда в виде конусных микроразрядов.
Пятая глава посвящена описанию причины формирования конусных микроразрядов: выявлена динамика их образования при включении ХеС1 и KrCl эксилампы; проведена оценка концентрации электронов на оси конусного микроразряда.
В приложении отражена информация о разработках новых источников спонтанного УФ и ВУФ излучения на основе барьерного и емкостного разряда в лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН, а именно, приведены энергетические характеристики, спектр излучения, фотография излучателя и краткое описание принципа работы источников возбуждения эксиламп.
В заключение сформулированы основные результаты работы.
Рабочие среды и спектры излучения эксиламп барьерного разряда
В эксилампах используются рабочие среды, состоящие из инертных газов или их смесей с галогенами. Особенностью данных сред является характер релаксации энергии по электронным состояниям эксимерных (от англ. "excited dimer") или эксиплексных (от англ. "excited complex") молекул, образуемых в среде в процессе ее возбуждения, и относительно большая энергия фотона, излучаемого при переходе молекулы в основное состояние [57, 58]. Наличие ионизованных и возбужденных состояний, связанных между собой многочисленными пересечениями кривых потенциальной энергии, приводит к тому, что в процессе релаксации среды последовательно безизлуча-тельно заселяются состояния с верхних возбужденных к нижним состояниям. Дальнейший переход с нижних возбужденных состояний для эксиплексных молекул (В, С, D, рис. 1.3) к основному (разлётное А и слабосвязанное или раз-лётное X состояния) осуществляется за счет излучения, при этом энергетический зазор между нижним возбужденным и основным состояниями молекулы весьма большой. Этим объясняются, во-первых, высокая эффективность преобразования энергии, вводимой в среду, в излучение; во-вторых, наличие в эмиссионном спектре лишь указанной группы переходов, относящихся к УФ или ВУФ диапазонам. При этом наиболее интенсивным является В-Х переход. В спектре могут присутствовать более слабые полосы D-X, В-А, С-А переходов, а также полосы молекул галогенов (Табл. 1.1 и 1.2). Образование эксимерных и эксиплексных молекул в рабочей среде происходит по разным каналам [57, 59]. Эксимерные молекулы возникают в реакции ассоциации:
Скорость реакции (1.1) пропорциональна квадрату концентрации атомов в основном состоянии. Этим объясняется сильная зависимость интенсивности и вида спектра излучения инертного газа от давления. На рис. 1.4 показаны изменения спектра излучения ксенона при различных давлениях, возбуждаемого барьерным разрядом [60]. Резонансная линия доминирует при низком давлении. При увеличении давления в спектре наблюдаются две широкие полосы, условно называемые "первым" и "вторым" континуумами. К первому относят переходы с высоко лежащих колебательных уровней. Данный континуум прилегает к длинноволновой стороне резонансной линии. Второй континуум формируется переходами из нижних колебательных уровней возбужденного состояния и, соответственно, располагается на большем удалении от резонансной линии, в длинноволновую область. При давлении 100 Тор и более в спектре доминирует излучение второго континуума. Эксиплексные молекулы формируются за счет так называемых "гарпунных" реакций (1.2) с участием возбужденного атома инертного газа и галогено-содержащей молекулы, или в процессе ион-ионной рекомбинации положительного атомарного или молекулярного иона инертного газа (R+, R2+) с отрицательным ионом галогена Y (3): где TY, Y2 - галогеносодержащие молекулы, Y - атом галогена, M - третья частица, уносящая избыток энергии. В качестве частицы М могут выступать атомы рабочего или "буферного" инертного газа. Наиболее эффективными оптическими средами являются ксенон (эффективность излучения г) молекул Хе2 до 60%, длина волны Л, = 172 нм [27, 61]);
Конструкции эксиламп барьерного разряда
В экспериментах посвященных исследованиям излучательных свойств химически активных хлорсодержащих газовых сред использовались так называемые "безэлектродные" двухбарьерных лампы (таб. 2.1). Лампы D1-D3 разработаны и изготовлены в лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН из кварца марки GE 214 (General Electric, США). На рис. 2.7 представлен чертёж лампы D3. Для исследования влияние величины газового зазора на излучательные характеристики барьерного разряда были использованы трубки из кварца марки GE 214. К трубкам припаивались торцы, один из которых имел отвод для откачки и наполнения газов. На внешней стороне трубки определённого диаметра вдоль оси размещались электроды шириной 5 мм, на которые подавалось напряжение. Величине газового зазора соответствовал внутренний диаметр трубки. Для исследования излучательных характеристик ксенона использовались однобарьерные лампы L0-L5. Все однобарьерные лампы были изготовлены в компании Heraeus Noble Light Со (Германия) из кварцевых трубок типа Suprasil с внешним диаметров 30 мм и толщиной стенок 1 мм. Длина колбы лампы обычно составляла 70 мм, а внутренний электрод был длиной 40 мм и выполнен в виде спирали из металлической проволоки диаметром 0.9 мм. В таблице 2.2 приведены параметры спирального электрода ламп. L5 - эксилампа с одним барьером и внутренним электродом в виде ци-линдра диаметром 0,9 мм. Для исследования излучательных свойств одного конусного микроразряда была изготовлена пленарная лампа D5 с межэлектродным зазором 8 мм и диаметром 20 мм из кварца марки GE 214. Коэффициент пропускания кварца, используемого в работе, приведён на рис. 2.8. На рис. 2.9 изображена схема пульта приготовления и подачи газовой смеси. Болоны с тазами Кг (либо Хе), СЬ и Не (либо Аг) наполнены до давления 1-2 атм. Смесь приготавливалась непосредственно в лампе. Давление смеси регистрировалось с помощью вакуумметра (класс точности 0.4). Вентиль 8 предназначен для отсечки лампы от газового пульта, а вентиль 7 для отсечки вакуумного насоса. Элементы газового пульта соединены с помощью сваренных между собой трубок из нержавеющей стали. Для регистрации тока, протекающего через лампу, использовался шунт Rw (см. рис. 2.10), включенный последовательно в цепь возбуждения лампы. Осциллографом Tektronix TDS 220 регистрировалось падение напряжения на RUh затем по закону Ома рассчитывался ток, протекающий по цепи. Напряжение, подаваемое на электроды лампы, регистрировалось с по мощью емкостного делителя С\, С1 (коэффициент деления 1000) и второго ка нала осциллографа.
Представив эквивалентную схему эксилампы, как показано на рис. 1.7 и, используя осциллограммы, расчёт вкладываемой мощности осу ществляли по формуле: Рис. 2.9. Пульт приготовления и подачи газовой смеси. 1-3 - газовые баллоны, 4-8 -газовые вентили, 9 -вакуумный насос, 10 - эксилампа, 11 - трубопровод, 12 - вакуумметр. Рис. 2.10. Схема регистрации напряжения и тока эксилампы. С\. СЪ - конденсаторы емкостного делителя, RM - токовый шунт, S -источник возбуждающего напряжения. где U(t) и /( напряжение и ток эксилампы, С,/- ёмкость диэлектрического барьера эксилампы, Cg - ёмкость газового зазора, заключенного между барьерами эксилампы, Q(t) - перенесённый заряд. Так как эксилампа - протяжённый источник, то задача измерения мощности излучения является нетривиальной. Нами использовалась следующая методика: с помощью тубуса, ФК и микроамперметра измерялась мощность, излучаемая элементом эксилампы (рис. 2.11). Далее по приведённой ниже формуле рассчитывалась средняя мощность, излучаемая эксилампой. Здесь L - длина эксилампы, і - ток фотокатода, Кх - спектральная чувствительность фотоприёмника, G - геометрический фактор измерительной системы, / - ширина щели тубуса, d - диаметр фотокатода, г - расстояние от фотокатода до оси эксилампы. Для регистрации формы импульса УФ излучения вместо микроамперметра включался осциллограф Tektronix TDS 220. Для оценки относительного уровня мощности излучения в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне спектра была использована следующая методика: излучатель помещался в кварцевую камеру, далее камера откачивалась до 103 Торр, а затем заполнялась аргоном. ВУФ излучение попадало на стенки кварцевой камеры, и интенсивность люминесценции стенок камеры регистрировалась фотокатодом ФЭК-22. На рис 2.12 приведён спектр люминесценции кварца. Катод фотодиода был чувствителен к излучению в области 185-600 нм с максимумом чувствительности в области 300-400 нм. Сигнал с фотодиода подавался на микроамперметр, который измерял средний ток с фотодиода, или на осциллограф Tektronix TDS 220. Спектры излучения в области 30-540 нм измерялись с помощью вакуумного монохроматора ARC (модель VM502). Спектр излучения ВУФ ламп регистрировался при помещении лампы без преобразователя в вакуумную камеру непосредственно перед входной щелью монохроматора.
Применялась следующая методика подгбтовки эксиламп к измерениям. Колба лампы вначале прогревалась и одновременно откачивалась до давления не менее 10 3 Торр. Затем лампа наполнялась рабочим газом до давления в не сколько Торр, и прогревалась разрядом; после 10-20 минут прогрева лампа откачивалась и заполнялась рабочим газом два-три раза. После этой подготовки лампа заполнялась рабочим газом или смесью газов до нужного давления. Нагрев эксилампы. Нагрев эксиламп приводит к уменьшению средней мощности излучения. Так, например, при мощности возбуждения эксиламп L0-L5 порядка 10 Вт мощность излучения уменьшается на 15%. При измерениях ВУФ излучения использовалась продувка аргоном камеры, при этом сущест венное изменение скорости продувки аргона при повышенных мощностях возбуждения также влияло на мощность ВУФ излучения. Поэтому обычно использовалась продувка аргоном при малой скорости газа, существенно не влияющей на охлаждение эксилампы. Для эффективного охлаждения двухбарьерных ламп D1-D4 внутренняя трубка омывалась водой. Разряд по внешней поверхности колбы эксиламп LQ-L5. Так как величина тока через эксилампу зависит от ёмкости эксилампы, то при увеличении мощности возбуждения будет увеличиваться площадь, занимаемая плазмой на внешней поверхности колбы лампы. Образование этой плазмы и занимаемая площадь зависят не только от мощности возбуждения (подаваемого напряжения и тока разряда), но и от давления и сорта газа, который окружает колбу. Сам этот газ (в нашем случае аргон) не поглощает ВУФ излучение, однако о спектре поглощения плазмы в аргоне мы не можем судить столь же уверенно. Поэтому при проведении измерений нами исключались ситуации, в которых возникал поверхностный разряд в аргоне. Перемещение областей разряда. Как будет показано более подробно ниже, форма разряда зависит от многих факторов (мощность возбуждения, конструкция эксилампы, частота следования импульсов, длительность импульса и т.д.). В большинстве случаев светящиеся области разряда все время перемещаются. Поэтому при регистрации излучения и измерении средней мощности эксилампы следует суммировать излучение из её различных областей, а далее проводить усреднение. Перемешивание газов. При поджиге ламп большого объёма, таких как D1-D3, после наполнения их двух или трёх компонентными смесями, наблюдался неоднородный по объёму разряд. Это связано с тем, что смесь приготав
Определение оптимальных параметров возбуждения, давления рабочего газа и конструкции ксеноновой однобарьернои эксилампы
Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность и мощность излучения, является характер разряда, степень его однородности. В зависимости от амплитуды приложенного напряжения различают три формы барьерного разряда - диффузный, микроканальный и стримерный. При возбуждении излучателей L0-L5 мощности уровнем до 30 Вт, при оптимальных давлениях ксенона, наблюдалось,несколько типов разряда: а) разряд в виде диффузного облака между центральным электродом и внутренней поверхностью кварцевой колбы (рис. 3.2а). Такой разряд наблюда ется при использовании излучателей L4 и L5 при малой и средней мощности возбуждения. Для него характерны высокие эффективности. Этот режим был описан в 3.1.1; б) с ростом амплитуды напряжения, подаваемого на электроды эксилам пы, степень неоднородности разряда у катода возрастала. Появлялись токовые пятна на катоде, и разряд наблюдался в виде диффузных конусов между цен тральным электродом и внутренней поверхностью кварцевой колбы (рис. 3.26). Такой разряд наблюдается при малой (до 10 Вт) и средней (10-20 Вт) мощно сти возбуждения, для него также характерны высокие эффективности; в) диффузные конусы между центральным электродом и внутренней по верхностью кварцевой колбы, причем у металлического электрода диффузный конус заканчивается тонким нитевидными каналами с более ярким излучением в видимой области спектра (рис. 3.2в). Длина таких каналов может изменяться от уровня мощности возбуждения от единиц до десятков миллиметров. Такой разряд наблюдается при средней и большей (20-30 Вт) мощности возбуждения, больших длительностях импульсов и для него характерны более низкие по сравнению с типами разряда (а) и (б) эффективности. Зависимость мощности излучения эксилампы L4 от давления приведена нарис.3.4 для мощности возбуждения 17 Вт, частоты повторения импульсов 60 кГц и длительности импульса напряжения по основанию 2 мкс.
При мощности возбуждения более 10 Вт и конусной форме разряда оптимальное давление также зависело от расстояния между металлическим электродом и внутренней стенкой кварцевой колбы и от шага спирали металлического электрода. При увеличении расстояния между металлическим электро-дом и внутренней стенкой кварцевой колбы при прочих равных условиях оптимальное давление уменьшалось. Например, минимальные оптимальные рабочие давления были зарегистрированы для лампы L5 (р - 180 Торр) и для лампы LI р = 190 Торр. Наиболее высокие средние мощности излучения были получены в этой серии экспериментов для эксилампы L4 и L2 в результате более высокого оптимального рабочего давления в сравнении с эксилампами L0, L1,L3, L5. Исходя из закона подобия, для сохранения условий формирования диффузного разряда необходимо обеспечить постоянство величины произведения р- d const (р - давление газа, d - межэлектродный зазор). Поэтому для получения диффузного разряда при увеличении расстояния от центрального электрода до внутренней поверхности кварцевой колбы необходимо снижать давление газа. В работах [ПО, III] описано повышение эффективности излучение эк-сиплексов в тлеющем и емкостном разрядах при добавлении буферного газа.
Одним из факторов, ограничивающих выход излучения эксиламп, является нагревание плазмы разряда. Наиболее важными функциями, выполняемыми буферным газом, является снижение температуры среды, так как буферный газ обладает большей теплопроводностью. Также известно, что добавки буферного газа способствуют уменьшению напряжения поджига разряда [111]. Поэтому представляет интерес исследование влияния добавок гелия и неона на эффективность излучение димеров ксенона возбуждаемых барьерным разрядом. При испытании ламп L0-L5 было показано, что добавки аргона резко уменьшают мощность излучения эксилампы, а малые добавки гелия или неона (единицы Торр) не влияют на мощность излучения димеров ксенона. Однако
Влияние давления смеси на эффективность излучения
Давление газа является одним из основных факторов, определяющих характер горения разряда. Как указывалось выше, при уменьшении давления смеси наблюдается всё более однородный разряд. Для проверки возможного влияния степени однородности разряда на эффективность работы KrCl экси-лампы был проведен эксперимент при отсутствии визуально наблюдаемых микроканалов в газоразрядной плазме, что было реализовано в смеси Кт:СЬ = 200:0.5 при полном давлении 100 Торр и импульсно-периодическом возбуждении. На рис. 4.7 приведены результаты проверки. Основным отличием от ранее приведённых данных является, во-первых, немонотонный ход кривой эффективности с максимумом при удельной мощности возбуждения « 0.45 Вт/см". Во-вторых, наибольшая величина эффективности в данном случае оказывается в 4- 5 раза ниже относительно полученных для условий рис. 4.5 при тех же удельных мощностях возбуждения. Кроме того, при отсутствии микро разрядов, подобно тому, как это имеет место в случае возбуждения напряжением гармонической формы, наблюдается задержка (« 0.5 мкс) импульса излучения относительно начала импульса возбуждения. В то же время, при наличии конусных микроразрядов такой задержки практически не наблюдается (рис. 4.6). Рис. 4.7.
Зависимости эффективности и удельной мощности излучения от удельной мощности возбуждения для случая однополярных импульсов возбу-ждения при частоте 93 кГц при давлении рабочей газовой смеси 100 Торр. Основной причиной данного отличия, вероятно, является существенно большая удельная мощность возбуждения в объёме, занимаемом микроразря дом. Это разница может достигать 2 порядков и более, так как объём, занимаемый конусными микроразрядами, по оценкам, во столько же раз меньше полного газоразрядного объёма, принимаемого в расчет при определении удельной мощности возбуждения. Сопоставление величин приведённой напряженности электрического поля, удельной мощности возбуждения на единицу объёма и "на одну частицу", эффективности для условий проводившегося эксперимента, а также тлеющего разряда [32] приводит к следующим результатам. Во-первых, при сравнимых величинах эффективности « 10 % в тлеющем и барьерном с наличием конусных микроразрядов имеют место близкие значения Е/р.« 10 В-см Торр"1, удельной мощности возбуждения на единицу объёма десятки-сотни Вт/см3 и примерно (1-50)10-17 Вт на одну частицу. При этом для барьерного разряда в расчет принимается объём, занимаемый конусными микроразрядами. Во-вторых, при существенно более низкой эффективности (2-4 %) при однородном горении барьерного разряда (без визуально регистрируемых микроразрядов) удельные мощности возбуждения составляют « 10-15 Втсм" и « (2- -20)10" Вт на одну частицу. Величины Е/р при этом составляет lSB-CM- Topp"1. При наличии конусных микроразрядов, что характерно для барьерного разряда, энерговвод осуществляется преимущественно в объёме, занимаемом микроразрядами. Соответственно, в зоне микроразрядов значения удельной мощности возбуждения могут достигать единиц-десятков кВт/см3. Принято считать, что в объёме, занимаемом микроразрядами, реализуются условия возбуждения, близкие к тем, что имеют место при возбуждении объёмным поперечным разрядом. Увеличение энергии, вложенной в плазму в течение одного периода в единицу объёма в барьерном разряде, в том числе в режиме однородного горения, возможно при увеличении напряжения питания, использования диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости.
Однако при этом возникают очевидные технические трудности, такие как недостаточно высокая электрическая прочность диэлектрика, трудности работы с высоким напряжением. Как уже отмечалось в предыдущих главах, одним из факторов, влияющих на,условия формирования конусного микроразряда в целом, эффективность и мощность излучения эксилампы, является временной интервал между предыдущим и последующим импульсами возбуждения т. е. частота следования импульсов. С целью выяснения влияния данного фактора частота повторения одно-полярных импульсов при возбуждении XeCl эксилампы варьировалась от 10 Гц до 200 кГц. На рис. 4.8 представлены фотографии внешнего вида работающей эксилампы при различных частотах повторения импульсов возбуждения. Как видно из рисунка, явно выделенные конусные микроразряды появляются при частоте следования импульсов возбуждения fo 1 кГц. При/ /о в газоразрядной плазме наблюдаются хаотично распределённые по объёму диффузные токовые каналы с относительно низкой яркостью свечения. Upnf fo по мере нарастания / увеличивается плотность конусных микроразрядов, размеры оснований конусов разряда и их яркость. При этом увеличивается мощность возбуждения и, соответственно, мощность излучения. Причиной появления ярко светящего отдельного конусного микроразряда при fo 1 кГц можно, вероятно, считать влияние остаточной концентрации