ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 865-868
УДК 537.53
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ НА МОЛЕКУЛАХ ХЛОРА И ХЛОРИДА КРИПТОНА
© 2004 г. А. К. Шуаибов, И. В. Шевера, А. А. Генерал
Ужгородский национальный университет, Украина Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Приводятся результаты исследования электрических и оптических характеристик плазмы продольного высокочастотного разряда в смеси криптона и хлора (Р < 1000 Па). Высокочастотный разряд зажигался в цилиндрической трубке из кварца, внутренний диаметр которой составлял 14 мм, а расстояние между анодом и катодом равнялось 30 мм. Исследовалась динамика тока и излучения высокочастотного разряда на смесях криптон/хлор разного состава и давления. Установлено, что продольный высокочастотный разряд на смеси криптона с хлором является широкополосным эксимер-но-галогенным излучателем в спектральном диапазоне 200-260 нм. Ультрафиолетовый спектр лампы образуется вследствие перекрытия уширенных полос излучения молекул хлора и хлорида
криптона (200 нм С1** , 222 нм КгС1 и 257 нм С1* ). Определен оптимальный состав смеси Кг/С12, необходимый для получения максимальной мощности ультрафиолетового излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Мощные источники ультрафиолетового (УФ) и вакуумно-ультрафиолетового (ВУФ) излучения на основе полос излучения моногалогенидов тяжелых инертных газов находят в настоящее время все более широкое применение в микроэлектронике, фотохимии и экологии [1]. Важное значение приобретают такие лампы в медицине (уничтожение вирусов, стерилизация медицинских инструментов и др.), а также при обезвреживании бактерий и ядов в воздухе, на поверхности воды и на различных поверхностях. В ряде случаев требуются малогабаритные лампы с апертурой цилиндрической формы, УФ-излучение которых при помощи оптической системы может быть собрано на рабочей поверхности малой площади (£ < 3 х 3 см2). Наиболее широкое применение для накачки экси-мерно-галогенных ламп низкого давления получили тлеющий и емкостной разряды [2-6]. При этом предельная частота повторения импульсов в лампе с накачкой емкостным разрядом не превышает 200 кГц, что обусловлено возможностями соответствующих источников питания лампы. С целью увеличения частоты повторения световых импульсов, устойчивости разряда в электроотрицательных газовых смесях, а также использования частей разряда с более высокой эмиссионной способностью перспективным может быть применение продольного высокочастотного разряда в эксимерно-галогенной лампе низкого давления. В работе [7] приводятся характеристики ХеС1-лампы, работающей на смеси Хе/С12 и возбуждаемой слаботочным высокочастотным разрядом.
В настоящей работе представлены электрические и оптические характеристики лампы с на-
качкой продольным высокочастотным разрядом на смеси криптона и хлора при низком давлении.
Техника и условия эксперимента. Высокочастотный разряд у-типа [8] зажигался в цилиндрической разрядной трубке из кварца, прозрачного до длины волны 190 нм. Межэлектродное расстояние в лампе составляло 30 мм, внутренний диаметр разрядной трубки равнялся 14 мм. В излучателе были установлены цилиндрические никелевые электроды длиной по 15 мм и внешним диаметром 14 мм. Продольный высокочастотный (^ = 1.76 МГц) разряд формировался с использованием модулированного по амплитуде напряжения (/ = 50 Гц). Источником накачки лампы служил высокочастотный генератор напряжения ЭН-57М со средней мощностью на выходе 50-250 Вт. Напряжение на электроды излучателя подавалось через импульсный разделительный конденсатор кВИ-2 емкостью 200 пФ. Амплитуда высокочастотного напряжения достигала 6 кВ. Эксперименты проводились в газостатическом режиме работы лампы и в режиме медленной прокачки рабочей смеси со скоростью 0.03-0.1 литра за минуту.
Импульсы напряжения на разрядном промежутке регистрировались при помощи емкостного делителя, а импульсы разрядного тока - с использованием малоиндуктивного токового шунта (гш = 1-5 Ом). Импульсы излучения плазмы высокочастотного разряда регистрировались в спектральной области 210-600 нм при помощи быстродействующего фотоумножителя "Фотон", который был соединен с осциллографом С1-99. Точность осциллографических измерений составляла 10%. Временное разрешение не превышало 5-10 нс. Методика измерений мощности УФ-излучения
200 220 240 260 280 300 320
X, нм
200 220 240 260 280 300
X, нм
Рис. 1. Спектры излучения электроразрядной плазмы на основе смесей криптона с хлором при
Р(Кг)/Р(С12) = 400/80 Па - (а); 670/80 Па - (б).
плазмы, представленная в предыдущих работах [9, 10], основывалась на выделении на излучающей поверхности разряда небольшого участка диаметром й, который рассматривался как точечный. В дальнейшем измерения мощности излучения проводились на основе стандартной фотометрической методики с использованием измерителя мощности оптического излучения "Кварц-01". Излучение на приемную головку измерителя поступало через светофильтр, который не пропускал видимое и инфракрасное излучение. Регистрация импульсов излучения плазмы проводилась с помощью быстродействующего фотоумножителя "Фотон" и осциллографа С1-99. Ультрафиолетовое излучение плазмы на фотоумножитель "Фотон" также поступало через соответствующий светофильтр.
Эмиссионные характеристики плазмы. Основное излучение плазмы продольного высокочастотного разряда сконцентрировано в УФ-области (рис. 1). При парциальном давлении криптона, не превышающем 400-500 Па, в спектре излучения формировался континуум на основе полос 200 нм
С1** , 222 нм КС1(В-Х), 257 нм С12(Б'-А'). При более высоком значении Р(Кг) и Р(С12) < 100 Па в спектре излучения оставалась только полоса 222 нм КгС1(В-Х). Оптимальное парциальное давление хлора находилось в диапазоне 40-100 Па.
Формирование единого континуума в диапазоне спектра 200-270 нм при низком рабочем давлении рабочей смеси было обусловлено замедлением процессов колебательной релаксации в пределах возбужденных состояний молекул хлора и хлорида криптона, что приводило к значительному уширению исследуемых полос излучения [11]. Причиной, приводящей к исчезновению полосы
200 нм С1** из спектра на рис. 1а, является, вероятно, значительное тушение верхних возбужденных состояний молекул хлора атомами криптона. При этом тушении могут образовываться и молекулы КгС1 (В).
Осциллограммы напряжения и, тока I и излучения ]¥ приведены на рис. 2 и 3. Цифрами со штрихом обозначены усредненные за период высокочастотных колебаний значения соответствующих величин. Штриховыми кривыми на осциллограммах представлена постоянная составляющая УФ-излучения.
Амплитуда полуволны тока накачки достигала максимального значения 1.5 А при отсутствии в схеме источника питания разделительного конденсатора и достижении максимальной мощности на выходе генератора накачки ^ = 250 Вт (рис. 3). Для ^ = 200 Вт она не превышала 0.4 А. Излучение плазмы состояло из постоянной и переменной составляющих. Частота следования переменной составляющей была равна удвоенной частоте тока накачки. Максимумы излучения плазмы соответствовали участкам уменьшения и увеличения высокочастотной составляющей тока продольного высокочастотного разряда. Вклад постоянной составляющей ультрафиолетового излучения уменьшался с увеличением парциального давления хлора от 80 до 120 Па.
На переднем и заднем фронтах макроимпульса излучения обнаружены два-три сравнительно узких по времени максимума в области зажигания и затухания исследуемого разряда. Максимальная длительность макроимпульсов излучения уменьшалась от 6 мс до 4.5 мс при увеличении парциального давления хлора в смеси (рис. 2).
Как установлено в теоретической работе [12], при высокочастотном разряде в хлоре на границе раздела "плазма-слой" формируются скачки плотности электронов, положительных и отрицательных ионов. Плазма в области раздела между при-электродными областями и плазмой в середине разрядного промежутка является ион-ионной, так как концентрация электронов в ней на несколько порядков ниже концентрации отрицательных ионов. В нашем случае при рекомбинации положительных ионов С1+ , Кг+ и отрицательных ионов С1- может происходить образование молекул С1**, С12(Б') и КгС1(В). Такие небольшие максимумы представляют особый интерес для разработок
Рис. 2. Осциллограммы тока, высокочастотной составляющей интенсивности излучения и напряжения в смеси Р(Кг)/Р(С12) = 400/80 Па - (а), 400/120 Па - (б) при мощности на выходе генератора накачки 200 Вт и С0 = 200 пФ. 1, Г -ток; 2, 2 - излучение; 3} - напряжение; Г, 2\ 3} - усредненные за период высокочастотного поля величины.
эффективных эксимерно-галогенных ламп со значительной апертурой и накачкой поперечным высокочастотным разрядом, у которого при давлении рабочей среды 50-700 Па более 50% межэлектродного объема занимают приэлектродные слои с высокой эмиссионной способностью.
Наибольшая мощность УФ-излучения продольного высокочастотного разряда с цилиндрической рабочей апертурой составляет 10-15 Вт. КПД лампы находится в диапазоне 7-10%.
Ресурс работы УФ-излучателя в газостатическом режиме не превышал 20-30 мин (рис. 4). При медленной продольной прокачке рабочей смеси со скоростью < 0.1 л/мин возможна была длительная и устойчивая работа лампы. Применение принудительного охлаждения электродов и корпуса лампы, а также горячей пассивировки ее внутренних частей в хлоре высокой чистоты позволит
1.5 1.0 0.5 < 0 -0.5 -1.0 -1.5 0
д 5 д 10 15 20 ^ 25 30
Рис. 3. Осциллограммы усредненного тока - Г и излучения - 2 разряда в смеси Р(Кг)/Р(С12)=400/80 Па при с0 = 0.
г, мс 12
I, отн. ед
Рис. 4. Зависимость яркости полос излучения 222 нм КгС1(В-Х) - 1 и 257 нм С12(П'-Л') - 2 от времени работы в газостатическом режиме при мощности на выходе генератора 250 Вт и С0 = 200 пФ.
увеличить ресурс работы эксимерно-галогенной лампы в отпаянном режиме до 50-100 часов работы аналогично соответствующим излучателям на монохлоридах тяжелых инертных газов с накачкой тлеющим разрядом постоянного тока.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование выходных характеристик ультрафиолетового эксимерно-галогенного излучателя с накачкой продольным вы
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.