ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 500-505
УДК 537.5;621.387
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ УФ-ВУФ-ЛАМПЫ НА СИСТЕМЕ ПОЛОС МОЛЕКУЛ ХЛОРИДА АРГОНА И ХЛОРА © 2015 г. А. К. Шуаибов, А. И. Миня, Р. В. Грицак, З. Т. Гомоки
Ужгородский национальный университет, Украина E-mail: roksolanija@ukr.net Поступила в редакцию 24.03.2014 г.
Приведены результаты экспериментального исследования характеристик двухволновой УФ-ВУФ-лам-пы на смеси аргона и паров фреона (CCl4) c накачкой наносекундным барьерным разрядом. Исследованы спектральные характеристики излучателя в области длин волн 160-300 нм, осциллограммы тока и напряжения. Проведена оптимизация интенсивности излучения полос 175 нм ArCl (В ^ Х) и 258 нм Cl2 (D' ^ A') при варьировании от давления и парциального состава рабочей смеси Ar-CCl4, а также условий зажигания наносекундного разряда с двумя диэлектрическими барьерами. Рассмотрены основные процессы образования молекулы хлорида аргона в барьерном разряде на основе смеси Ar-CCl4.
DOI: 10.7868/S0040364415030151
ВВЕДЕНИЕ
Мощные и эффективные газоразрядные источники УФ-ВУФ-излучения на основе димеров тяжелых инертных газов и их моногалогенидов приходят на смену экологически вредным лампам на парах ртути в фотохимии, фотомедицине, микронаноэлектронике, экологии и других областях науки и техники. По сравнению с ртутными излучателями (к = 254 нм) эксимерные и эк-сиплексные лампы работают в широкой области длин волн (к = 126-354 нм), характеризуются одной или несколькими интенсивными молекулярными полосами шириной 1-10 нм при сравнимой их эффективности [1].
Перспективными являются и УФ-ВУФ-излу-чатели на молекулах галогенов, особенно с участием полосы 258 нм С12(Б' ^ А') [2,3], длина волны которых близка к спектральной линии атома ртути ртутных ламп, под излучение которых разработано много различных оптических технологий. Большинство эксиплексных газоразрядных ламп возбуждается барьерным разрядом переменного тока частотой 10-100 кГц и импульсами тока микросекундной длительности такой же частоты [4, 5]. Для ряда оптических технологий необходимы УФ-ВУФ-лампы с повышенной импульсной мощностью излучения и высокой энергией в импульсе, которые возбуждаются наносекундным барьерным разрядом [6, 7]. Для применений в качестве бактерицидных средств важным является разработка ламп с излучением, попадающим в главный максимум поглощения ДНК (к = 250-260 нм), а также во вторич-
ные максимумы поглощения биомолекул, которые находятся в спектральном диапазоне 170-200 нм, например это может быть лампа на полосе 193 нм АгБ(В ^ Х) [8]. Для этих целей может быть использована в лампе рабочая среда на основе смеси аргона с парами фреона, поскольку она излучает на системе полос к = 258 нм С12 (Б' ^ А') и 175 нм АгС1 (В ^ Х). Предварительные результаты исследования такого излучателя с накачкой наносекунд-ным барьерным разрядом приведены в статье [9].
Аргон в качестве буферного и эксиплексооб-разующего газа широко используется в газоразрядных молекулярных УФ-ВУФ-лазерах и различных плазмохимических реакторах на основе паров воды и металлов [10], а также в реакторах на основе галогенсодержащих газов [11].
В настоящей работе приводятся результаты исследования характеристик УФ-ВУФ-лампы на основе полос излучения молекул хлора и хлорида аргона, а также рассмотрены процессы образования молекул хлорида аргона и хлора в плазме на смеси Аг-СС14.
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Наносекундный разряд с суммарной длительностью импульсов тока 50-70 нс и двумя диэлектрическими барьерами зажигался в цилиндрической колбе из кварца марки КУ-1. Рабочая длина колбы излучателя составляла 20 см, а диаметр внутренней трубки из кварца был равным 14 мм. Межэлектродное расстояние в барьерном разряде примерно 4.5-5.0 мм. Внутренний электрод был
изготовлен из сплошного алюминиевого цилиндра и устанавливался во внутреннюю кварцевую трубку. Внешним электродом служила спираль из никелевого провода, прозрачность которого примерно 80%.
Барьерный разряд зажигался при помощи источника импульсов высокого напряжения с резонансной перезарядкой накопительного импульсного конденсатора емкостью 1.54 нФ и коммутатором — водородным тиратроном ТГИ-1-1000/25. Амплитуда импульсов напряжения на выходе модулятора увеличивалась при помощи импульсного кабельного трансформатора. Амплитуда основного максимума импульса тока достигала 50 А при его длительности 20—30 нс.
Излучение плазмы анализировалось в спектральном диапазоне 140—310 нм с использованием однометрового вакуумного монохроматора и фотоумножителя с окном из фторида лития ФЭУ-142. В эксперименте регистрировались усредненные по времени спектры излучения. Лампа стыковалась с входной щелью вакуумного монохроматора через герметизированную кварцевую трубку диметром 10 мм и LiF — окно. Система регистрации излучения была прокалибрована по относительной спектральной чувствительности.
Частота следования импульсов напряжения и тока могла изменяться в диапазоне / = 35—1000 Гц. Импульсы тока и напряжения регистрировались с использованием пояса Роговского, малоиндуктивного делителя напряжения и скоростного импульсного осциллографа 6-ЛОР. Измерение абсолютной мощности излучения лампы проводилось при помощи прибора "Кварц-01".
Барьерный разряд наносекундной длительности зажигался в диффузном режиме, а его фила-ментарная стадия не проявлялась.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На рис. 1 представлен типичный спектр излучения УФ-ВУФ-лампы на смеси аргона с парами фреона в двухволновом режиме работы. При относительно небольшом парциальном давлении аргона р(Аг) = 5-10 кПа в спектрах излучения полосы 175 нм АгС1 (В ^ Х) и 258 нм С12 (Л' ^ А) были соизмеримы по интенсивности. Менее интенсивным было излучение полос молекулы хлорида аргона X = 169 нм АгС1 (Л ^ X) и 199 нм АгС1 (С ^ А) [12, 13], которое проявлялось только при пониженном давлении рабочей смеси. С увеличением парциального давления аргона (р > 2030 кПа) и паров фреона (до 200-300 Па) интенсивность полосы излучения X = 258 нм С12 (Л ^ А') начинала превалировать над интенсивностью полосы хлорида аргона. Особенностью спектра УФ-из-
C12(D' ^ A')
ArCl(B ^ X)
ArCl(D ^ X) lArCl(C ^ A)
OH(A ^ X)
150 175 200
225 250 275 300 X, нм
Рис. 1. Спектр излучения импульсно-периодической УФ-ВУФ-лампы барьерного разряда на смеси p(Ar)-p(CCl4) = 6.7-0.13 кПа.
лучения лампы являлось наличие неразрешенного максимума на коротковолновом канте полосы X = 258 нм Cl2 (D' ^ A'), который проявлялся при увеличении давления рабочей смеси и не наблюдался при использовании более простых хлорсо-держащих молекул (HCl, Cl2). Эти особенности УФ-излучения молекулы хлора могут быть обусловлены вкладом излучения продуктов распада молекул CCl4 (радикалов CCl* или атомов углерода) в барьерном разряде.
Осциллограммы импульсов напряжения, тока и электрической мощности разряда в смеси Ar-CCl4 приведены на рис. 2. Амплитуда основного максимума импульса тока достигала 33 А (рабочая смесь Ar-CCl4 = 6.6 кПа-130 Па, рис. 2а-2в) при его длительности 20-30 нс и 50-60 А (смесь Ar—CCl4 = 24 кПа-130 Па, рис. 2г-2е) при длительности в диапазоне 25-35 нс. С увеличением давления аргона наблюдалось увеличение амплитуды импульса тока. Амплитуда импульсов напряжения на выходе высоковольтного модулятора увеличивалась при помощи импульсного кабельного трансформатора и достигала 16 кВ (с учетом падения части напряжения на диэлектрических барьерах) для смеси p(Ar)-p(CCl4)= = 6.6-0.13 кПа и 22 кВ для смеси p(Ar)-p(CCl4) = = 24-0.13 кПа при длительности отдельного выброса порядка 8-10 нс. Осциллограммы электрической мощности барьерного разряда показали, что во временном диапазоне 50 нс в барьерный разряд вкладывается максимальная энергия. Увеличение парциального давления аргона до 24 кПа приводило к увеличению энерговклада в разряд.
На рис. 3 представлена зависимость интенсивности излучения полосы 175 нм АгС1 (В ^ Х) от парциального давления паров CCl4 при постоянном давлении аргона в рабочей смеси. Для получения максимальной интенсивности полосы
(а)
в 10
^ 0 ь -10
50
100 150 (в)
200
250 t, нс
50
100
150
200
250 t, нс
(г)
В 20
И 0 -20 -40
(д)
150 200 250 t, нс
50 100 150 200 250
t, нс
(е)
0 50 100 150 200 250
t, нс
Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения (а), (г), тока (б), (д) и мощности (в), (е) наносекундного барьерного разряда на смеси Аг-ССЦ при р(Аг) = 6.6 кПа (а)-(в) и 24 кПа (г)-(е) р(СС14) = 0.13 кПа, и = 13 кВ, / = 80 Гц.
I, отн. ед. 2000 г
1000 -
0 100 200 300
р(СС14), Па
Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения полосы АгС1 (В ^ X) с максимумом при А = 175 нм в УФ-ВУФ-лампе на смеси Аг-ССЦ при р(Аг) = 24 кПа от парциального давления паров ССЦ.
хлорида аргона парциальное давление паров фреона должно находиться в диапазоне 200-220 Па. При малом содержании паров фреона в смеси плотность хлорсодержащих молекул слишком
низкая для эффективного протекания "гарпунной" реакции между ними и атомами аргона в метастабильных электронных состояниях, а при р(СС14) > 220 Па начинает проявляться процесс тушения молекул АгС1(В) молекулами СС14 и продуктами их распада в плазме барьерного разряда. Увеличение парциального давления паров фреона в диапазоне 50-300 Па приводило к росту интенсивности полосы излучения молекулы хлора (к = 258 нм) по линейному закону. При этом спектр излучения лампы состоял только из одной полосы хлора при р(СС14) = 270-300 Па. Для двух-волнового режима излучения лампы оптимальное парциальное давление паров фреона находилось в диапазоне 180-220 Па. Оптимальное же парциальное давление аргона для лампы было в диапазоне 5-10 кПа, а увеличение р(Аг) с 10 до 50 кПа приводило к уменьшению интенсивности полосы 175 нм АгС1 (В ^ Х) примерно на три порядка, а полосы 258 нм С12 (Б' ^ А') - только в три раза.
Из зависимости средней мощности излучения УФ-ВУФ-лампы с накачкой наносекундным барьерным разрядом в смеси Аг-СС14 от парциального давления аргона (рис. 4а) следует, что оптимальная величина р(Аг) составляет 6-8 кПа. Это согласуется с результатами оптимизации и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.