ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 8, с. 763-766
^ ^^^^^^ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ
ПЛАЗМА
УДК 537.585.373.186
ОБРАЗОВАНИЕ МОЛЕКУЛ Хе1(В) И 12(В) В СТАЦИОНАРНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ НА СМЕСИ КСЕНОНА
С ПАРАМИ ИОДА
© 2004 г. А. К. Шуаибов, Л. Л. Шимон, И. А. Грабовая
Ужгородский национальный университет
Поступила в редакцию 06.05.2003 г. Окончательный вариант получен 22.12.2003 г.
Приводятся результаты исследования образования иодида ксенона и возбужденных димеров иода в плазме продольного тлеющего разряда постоянного тока. Разряд зажигался в парах иода и смеси Хе/12 при давлении Р(Хе) = 0.1-1.5 кПа и мощности вводимой в плазму 10-100 Вт. Исследовались вольт-амперные характеристики тлеющего разряда, спектры излучения плазмы в диапазоне 200650 нм, зависимость интенсивности (яркости) излучения спектральных линий (молекулярных полос) от величины электрической мощности тлеющего разряда и парциального давления ксенона в смеси Хе/12. Установлено, что данная плазменная среда излучает в спектральном диапазоне 206-343 нм на резонансной линии атома иода 206 нм и полосах 253 нм Хе1(В-Х), 343 нм 12(В-Х). Определено оптимальное значение величины Р(Хе) и мощности вкладываемой в плазму, которые необходимы для получения максимальной мощности УФ-излучения. Мощность УФ-излучения со всей поверхности цилиндрической разрядной трубки достигала 7 Вт при КПД <5%.
Широкое использование в микроэлектронике, экологии и медицине мощных источников спонтанного УФ- и ВУФ-излучений стимулировало разработку и исследование активных сред электроразрядных излучателей на основе моногалоге-нидов инертных газов и димеров галогенов [1]. Наиболее простыми являются эксимерно-гало-генные лампы низкого давления с накачкой тлеющим разрядом постоянного тока [2-5], в которых исследовались в основном рабочие среды на основе смесей тяжелых инертных газов с молекулами Cl2 и HCl. Но ресурс работы таких ламп в газостатическом режиме на одной газовой смеси не превышает 100 часов [2], что обусловлено связыванием молекул галогеноносителя металлическими электродами и кварцевой трубкой, которые достаточно сильно нагреваются тлеющим разрядом уже при токах, которые превышают 2030 мА. Изоляция электродов от агрессивной хлорсодержащей плазменной среды, например, в эксилампах низкого давления на основе емкостного разряда, позволила достичь ресурса работы в отпаянном излучателе до 2000 часов [6]. При этом выходная мощность и КПД лампы на основе полосы излучения 283 нм XeBr были в 1.5-2.0 раза выше, чем для излучателей на основе полос 222 нм KrCl и 308 нм XeCl. Это указывает на перспективность использования при низком давлении эксимерных молекул на основе менее агрессивных галогенов (брома или йода). Использование таких рабочих сред является перспективным и для тлеющего разряда постоянного тока, где в
лампе на смеси Хе/12 (Р < 600 Па) был достигнут ресурс УФ-излучения 1000 часов [7]. Основное внимание в данной работе уделялось исследованию излучения на X = 206 нм I*. Условия же образования в тлеющем разряде постоянного тока
молекул Хе1(В) и I* и их вклад в УФ-излучение стационарной плазмы низкой плотности исследованы мало [8]. Более детально эти вопросы изучались только применительно к плазме барьерного разряда на смесях Хе(Кг)/12 при общем давлении 34-50 кПа [9, 10].
В настоящей статье представлены результаты исследования условий образования молекул Хе1(В) и 12(В) в стационарной электроразрядной плазме низкой плотности.
1. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Тлеющий разряд в смеси Хе/12 зажигался в цилиндрической разрядной трубке из кварца, который пропускал не менее 70% интенсивности УФ-излучения на X = 200 нм. Внутренний диаметр разрядной трубки составлял 1.4 см, межэлектродное расстояние было равным 19 см. В лампе применялись цилиндрические электроды из листового никеля. Кристаллический иод высокой чистоты размещался в специальном отростке, который находился за анодом.
Излучение плазмы анализировалось при помощи монохроматора МДР-2 и фотоумножителя ФЭУ-106. Система регистрации излучения была прокалибрована по величине относительной спе-
и, кВ 2.52.0 1.5 1.0 0.5
0
10
20
30
40 50 /, мА
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики продольного тлеющего разряда в смеси ксенона с парами иода при Р(Хе) = 133 (1), 800 (2) и 1600 Па (3).
ктральнои чувствительности по излучению ламп СИ 8-200 У (спектральный диапазон 4001000 нм) и ДВС-25 (спектральный диапазон 200400 нм). Зажигание тлеющего разряда проводилось с использованием высоковольтного выпрямителя (/сЬ = 1-50 мА, исЬ < 10 кВ). Разрядная трубка перед заправкоИ ксеноном откачивалась до остаточного давления 5 Па. При ухудшении предельного вакуума до 30-40 Па в спектральном диапазоне 300-400 нм на фоне полос излучения иода появлялось излучение 2+ системы молекулы азота. Ресурс излучения иодноИ лампы при этом уменьшался. В эксперименте использовался ксенон высокоИ чистоты Балашихинского кислородного завода. Разрядная трубка охлаждалась при помощи вентилятора так, что температура отростка с иодом в большинстве случаев была близка к комнатноИ. При максимальном токе разряда трубка могла нагреваться на 10-15 градусов выше комнатноИ температуры, поэтому давление насыщенных паров иода в трубке не превышало 130-170 Па [11]. Измерение полноИ мощности УФ-излучения проводилось по методике, описан-ноИ в статье [12]. При данных измерениях использовался светофильтр УФС-5, что позволяло определять только мощность излучения в спектральном диапазоне X < 400 нм. Для плазмы на основе паров иода это является важным, так как она интенсивно излучает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.
2. ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ
Достаточно однородныИ тлеющиИ разряд постоянного тока в смесях ксенона с парами иода зажигался только при парциальном давлении ксенона Р(Хе) < 400 Па и среднем токе > 40-50 мА.
Уменьшение величины тока для таких смесеИ приводило к появлению на фоне слабого диффузного разряда синего цвета яркого плазменного шнура, диаметр которого уменьшался с 8-10 мм до 2-3 мм. С увеличением парциального давления ксенона до 1.0-1.5 кПа тлеющиИ разряд во всем диапазоне разрядных токов существовал в форме плазменного шнура (диаметр которого уменьшался с ростом давления ксенона), которыИ существовал на фоне слабого тлеющего разряда. ТакоИ вид разрядноИ среды соответствует режиму динамическоИ контракции тлеющего разряда. Типичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) представлены на рис. 1. Для режима не контраги-рованного тлеющего разряда на ВАХ различались поднормальная и нормальная стадии. Для контрагированного разряда потенциал зажигания уменьшался с ростом Р(Хе), а зависимость спада напряжения на электродах лампы от среднего тока была близкоИ к обратно пропорцио-нальноИ.
Спектры излучения плазмы тлеющего разряда в парах иода и их смеси с ксеноном представлены на рис. 2. В спектре излучения плазмы на основе чистых паров иода выделялась резонансная линия атома иода 206 нм и система электронно-колебательных полос 12(В-Х) в диапазоне 320-342 нм. В плазме на основе смеси Хе/12 наблюдалась также достаточно яркая полоса 253 нм Хе1(В-Х). За счет колебательноИ релаксации под деИствием ксенона, происходящеИ в пределах В-состояния димера иода, происходит уменьшение яркости излучения с высоколежащих (V - 9.10) колебательных уровнеИ 12(В) (система полос X = 318-330 нм на рис. 2.1). В тлеющем разряде на смеси ксенона с парами иода при Р(Хе) = 266 Па распределение
яркости излучения молекул I* , Хе1* и интенсивности излучения атомов иода, полученное с учетом относительноИ спектральноИ чувствительности монохроматора и фотоумножителя, было следующим: 1.0/0.3/0.7. Из этих результатов следует, что за счет большоИ ширины молекулярных полос в спектральном диапазоне 230-342 нм сосредоточено больше половины мощности УФ-излучения плазмы тлеющего разряда.
В спектральном диапазоне 400-600 нм на фоне континуума наблюдались наиболее интенсивные спектральные линии атомов иода и ксенона. На рис. 3. представлены зависимости яркости полос и интенсивности спектральных линиИ от величины мощности, которая вкладывалась в разряд. Увеличение мощности с 10 до 110 Вт приводило к практически линеИному росту яркости излучения полос молекулы иода и иодида ксенона. Яркость излучения полосы 253 нм была примерно в два раза выше яркости полосы 342 нм. Зависимости интенсивности излучения спектральных линиИ атомов иода и ксенона от мощности тлеющего
1
ОБРАЗОВАНИЕ МОЛЕКУЛ Хе1(В) И 12(В)
765
_|_I_I_I_I_
200 240 280 320 360
206 нм I*
200 240 280 320 360
X, нм
Рис. 2. Спектры излучения плазмы тлеющего разряда в парах иода (1) и смеси Хе/12 при Р(Хе) = 133 Па (2).
0 30 60 90 Р, Вт
Рис. 3. Зависимость яркости полос излучения молекул (а) и интенсивности спектральных линий атомов (б) от величины мощности, вкладываемой в плазму тлеющего разряда на смеси Хе/12 при Р(Хе) = 133 Па:
а) - 253 нм Хе1(В-Х) (1), 342 нм 12(В-Х) (2);
б) - 206 нм I I (3) и 476.1 нм Хе I (6$-7р) (4).
разряда также были близкими к линейным. Поэтому возбуждение атомов в исследуемой плазме наиболее вероятно происходит в результате прямого электронного удара и (для атомов иода) в реакции диссоциативного возбуждения молекул иода электронами.
Результаты оптимизации излучения полос ^(В-Х), ХеЦВ-Х) и интенсивности резонансной линии атома иода в зависимости от величины парциального давления ксенона и мощности, вкладываемой в плазму, представлены в таблице.
Как следует из таблицы, возбужденные молекулы наиболее эффективно образуются, когда тлеющий разряд еще не контрагирован, т.е. при Р(Хе) = 130-270 Па. Увеличение Р(Хе) до величины >270 Па, наиболее резко сказывается на яркости полосы димеров иода. Для молекулы ХеР наблюдалось резкое уменьшение эффективности образования при уменьшении величины Р(Хе) с 270 до 130 Па. При Р(Хе) > 130 Па эффективность образования иодида ксенона уменьшалась с увеличением электрической мощности разряда, которая превышала 30 Вт.
Величина мощности УФ-излучения с боковой поверхности разрядной трубки достигала 6-7 Вт при КПД < 5%. Ресурс работы лампы на одной смеси в газостатической режи
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.