ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 5, с. 475-480
^ ^^^^^^ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ
ПЛАЗМА
УДК 539.186 537.521.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОПЕРЕЧНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА НА СМЕСИ КСЕНОНА С ХЛОРОМ
© 2004 г. А. К. Шуаибов, А. И. Дащенко, И. В. Шевера
Ужгородский национальный университет
Поступила в редакцию 23.04.2003 г. Окончательный вариант получен 01.10.2003 г.
Приводятся результаты исследования электрических и оптических характеристик плазмы поперечного высокочастотного разряда в смеси ксенона с хлором при давлениир < 400 Па. Возбуждение газовых смесей осуществлялось модулированным высокочастотным разрядом (/ = 1.76 МГц), который зажигался в поперечной системе электродов (Ь < 17 см). Изучались спектры излучения в области 210-600 нм, осциллограммы напряжения, тока и излучения плазмы. Исследованы зависимости мощности УФ-излучения разряда от давления и состава смеси Хе/С12. Установлено, что исследуемый разряд на смеси ксенона с хлором является планарным эксимерно-галогенным излучателем в спектральном диапазоне 220-450 нм на системе перекрывающихся между собой полос ХеС1(Б, В-Х; В, С-А) и С12(Б'-А'). Поперечный высокочастотный разряд в смеси Хе/С12 может быть использован для разработки мощного широкополосного излучателя с двумя планарными апертурами величиной по 50 см2 и небольшой скоростью замены рабочей среды.
В настоящее время мощные источники спонтанного УФ-излучения моногалогенидов инертных газов и димеров галогенов находят широкое применение в микроэлектронике, фотохимии и медицине [1, 2]. Для формирования активной среды в этих источниках излучения используется преимущественно тлеющий разряд постоянного тока [3-5] и высоковольтный импульсно-перио-дический разряд через диэлектрик [6, 7]. Плазму при этом получают в цилиндрических кварцевых трубках разной длины и диаметра, поэтому и рабочая апертура в таких лампах является цилиндрической. Для равномерного освещения плоской поверхности большой площади представляет интерес применения излучения поперечного разряда низкого давления. С целью повышения устойчивости и однородности плазмы поперечного разряда среднего давления в электроотрицательной газовой среде более перспективным (по сравнению с тлеющим разрядом постоянного тока) является применение высокочастотного режима питания разрядного промежутка [8]. В [9] приведены некоторые результаты оптимизации характеристик ХеС1-лампы низкого давления, которая работала на смеси Хе/С12 и возбуждалась при помощи слаботочного высокочастотного разряда индуктивного типа. Для увеличения мощности УФ-излучения и формирования активной среды планарной эксимерно-галогенной лампы среднего давления может представлять интерес использование сильноточной стадии поперечного высокочастотного разряда (ПВЧР) на смесях тяжелых инертных газов с галогеносодержащими соединениями. При небольшом значении параметра рй
(где р - давление газовой смеси, й - межэлектродное расстояние) плазма ПВЧР состоит преимущественно из приэлектродных слоев, которые характеризуются повышенной яркостью излучения по сравнению с плазмой положительного столба [10, 11]. Оба металлических электрода при этом выступают в роли катодов, а анодом служит плазма положительного столба. Нами была обнаружена достаточно высокая эффективность работы эксимерно-галогенных излучателей на смесях Не/С12 (Я = 200/257 нм) и Кг/С12 (к = 200/222/257 нм), у которых активной средой была плазма отрицательного катодного свечения вольерного разряда постоянного тока [12-14]. В связи с этим может быть перспективным использование в эксимерно-галогенных излучателях протяженной плазмы приэлектродных областей ПВЧР на смесях инертных и галогеносодер-жащих газов. Данные по условиям образования эксимерных молекул в таком типе разряда в настоящее время отсутствуют.
В настоящей статье приводятся результаты исследования характеристик поперечного высокочастотного разряда на смеси ксенона с хлором.
1. ТЕХНИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема экспериментальной установки для исследования эксимерно-галогенной лампы с пла-нарной апертурой близка к приведенной в [5]. В настоящем эксперименте исследование оптических характеристик плазмы ПВЧР проводилось в спектральной области 210-600 нм с использова-
Рис. 1. Система электродов и плазма ПВЧР: 1 - электроды поперечного разряда, 2 - плазма приэлектрод-ных областей, 3 - плазма положительного столба, ИВЧН - источник высокочастотного напряжения, С0 - разделительная емкость.
нием монохроматора МДР-2 и фотоумножителя ФЭУ-106. Измерялись осциллограммы напряжения на электродах, тока разряда и полной мощности УФ-излучения (АХ = 310-230 нм) с боковых аппертур поперечного разряда. Поперечный разрез системы электродов и плазмы в вертикальной плоскости приведен на рис. 1. В зависимости от давления и состава смеси Хе/С12 приэлектрод-ные части ПВЧР занимали 50-70 % от общего объема плазменной среды. Высокочастотный разряд зажигался в объеме 17 х 3 х 2.2 см3 (где сС = 2.2 см - межэлектродное расстояние). Система электродов состояла из массивного никелированного электрода длиной 17 см с радиусом закругления рабочей поверхности 3 см и площадью основания 6 х 17 см2 и плоского электрода из никеля. Электроды крепились на диэлектрическом фланце, который был установлен в металлическую разрядную камеру объемом 10 литров. При регистрации спектров излучение плазмы отбиралось кварцевой линзой с приэлектродных частей ПВЧР одного из торцов плазменной среды. Вблизи другого торца плазменного объема устанавливался импульсный фотоумножитель "Фотон", соединенный с осциллографом С1-99, что позволяло регистрировать импульсы суммарного излучения в спектральной области 210-600 нм. Как показали предварительные исследования излучения с применением фильтров и спектральные измерения, основной вклад в суммарное излучение плазмы вносили полосы ХеС1(БВ,С-Х).
Для зажигания поперечного разряда использовался источник модулированного по амплитуде высокочастотного напряжения со средней мощностью 250 Вт. Блок питания генерировал макроимпульсы напряжения амплитудой до 6 кВ и максимальной длительностью 12 мс, которые были заполнены высокочастотной составляющей (/ = 1.76 МГц). Для исключения протекания в рабочей цепи постоянного тока подача высокочастотного напряжения на электроды осуществля-
306 нм ХеС1 (В-Х)
260 280 300 320
Х, нм
Рис. 2. Спектр УФ-излучения плазмы на смеси р(Хе)/р(С12) = 40/80 Па.
лась через разделительную емкость 200 пФ. Импульсы напряжения на разрядном промежутке регистрировались при помощи емкостного делителя, а разрядного тока - при помощи малоиндуктивного шунта (г8Ь = 1-5 Ом). Оценка полной мощности УФ-излучения с двух рабочих апертур излучателя (5 = 2 х 50 см2 ) проводилась по методике, которая приведена в [15].
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На рис. 2 представлен основной участок УФ-спектра излучения плазмы ПВЧР в смеси ксенона с хлором. Из-за незавершенности процессов колебательной релаксации при низком давлении рабочей среды [15, 16], В-Х и Б-Х полосы хлорида ксенона и Б'-А' полоса молекулы хлора перекрываются между собой и формируют одну широкую полосу в спектральном диапазоне 220-310 нм. Основные максимумы излучения В-Х полосы хлорида ксенона были смещены в коротковолновый участок спектра и наблюдались при Х = 306 и 289 нм. Они перекрывались с менее яркими полосами 257 нм С12(Б'-А') и 235 нм ХеС1(Б-Х). При увеличении парциального давления ксенона с 40 до 400 Па ширина полосы ХеС1(В-Х) уменьшалась, а ее яркость значительно возрастала. В длинноволновой области УФ-спектра излучения регистрировались две широкие полосы с максимумами при Х = 390 нм и 430 нм. Ширина полосы
0 200 400 600 800 1000 I, нс
Рис. 3. Осциллограммы напряжения (1), тока (2) и излучения плазмы (3) на смеси р(Хе)/р(С12) = 400/80 Па.
390 нм ХеС1(С-А) была примерно в 2.3-3.0 раза больше ширины полосы 430 нм ХеС1(В-А). Перекрытие всех полос молекул ХеС1 и С12 между собой позволяло получать излучение в спектральном диапазоне 220-450 нм. Спектр излучения в длинноволновой области был линейчатым и определялся наиболее интенсивными спектральными линиями атома ксенона. Наиболее интенсивной была спектральная линия 467.1 нм Хе 1(6^-7р).
Временные характеристики высокочастотного напряжения на разрядном промежутке (Ц), разрядного тока (I) и излучения плазмы УР) на основе смеси Хе/С12 представлены на рис. 3, а усредненные за период действия высокочастотной составляющей величины и, I, 1р (обусловленные режимом работы источника питания ПВЧР) приведены на рис. 4. Величина амплитуды полуволны высокочастотного колебания напряжения увеличивалась с увеличением давления смеси от 100 до 400 Па и достигала 5 кВ. Величина амплитудного значения тока ПВЧР уменьшалась с 1.6 до 0.8 А при уменьшении парциального давления хлора со 160 до 80 Па. Между величиной напряжения и тока исследуемого разряда наблюдался сдвиг по фазе, который увеличивался с ростом давления смеси Хе/С12. Максимальная длительность полуволны тока и напряжения находилась в пределах 300-350 не. Излучение плазмы ПВЧР имело в основном постоянную составляющую, которая была по амплитуде модулирована с удвоенной частотой высокочастотной составляющей тока накачки. При небольшом фиксированном значении р(С12) < 80 Па вклад постоянной составляющей излучения плазмы увеличивался с 40-50% при р(Хе) < 80 Па до 70-80 % при р(Хе) = 400 Па. Максимумы излучения плазмы соответствовали участкам спада и нарастания высокочастотной
и, кВ (,) ]р, отн. ед.
Рис. 4. Макроимпульсы напряжения (1), тока (2) и излучения плазмы ПВЧР (3) на смесях р(Хе)/р(С12) = 80/80 (а), 200/180 (б), 400/80 Па (в). Пунктир - постоянная (квазистационарная) составляющая излучения плазмы.
составляющей разрядного тока (рис. 3). Наличие постоянной составляющей излучения плазмы и увеличение ее вклада в суммарное излучение с ростом р(Хе) указывает на наличие эффективного канала непрерывного образования молекул хлорида ксенона в ПВЧР. При низком давлении смесей тяжелых инертных газов с хлором или хлоридом водорода в тлеющем разряде постоянного тока превалирует "гарпунная" реакция образования соответствующей эксимерной
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.