ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 97, № 1, с. 10-13
АТОМНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК 537.53
ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ НИЗКОИ ПЛОТНОСТИ НА ОСНОВЕ СМЕСИ ГЕЛИИ-ХЛОР
© 2004 г. А. К. Шуаибов, А. И. Дащенко, И. В. Шевера
Ужгородский национальный университет,
88000 Ужгород, Украина
Поступила в редакцию 27.06.2003 г. В окончательной редакции 14.01.2004 г.
Представлены результаты исследования излучения плазмы (к = 195-670 нм) продольного высокочастотного разряда на смеси гелия с хлором. Проведена оптимизация яркости излучения характеристических полос молекулы хлора (200, 257 и 307 нм) в зависимости от условий накачки, давления и состава рабочей среды. Исследована динамика протекания разрядного тока и излучения плазмы на основе смеси гелий-хлор.
Для возбуждения разряда в эксимерно-гало-генных лампах низкого давления наиболее широкое распространение получили емкостной и тлеющий разряды [1, 2]. С целью увеличения частоты повторения импульсов и повышения устойчивости разряда в сильно электроотрицательных газовых смесях перспективным является применение высокочастотного (ВЧ) разряда. При этом особый интерес представляют малогабаритные лампы, УФ излучение которых может быть собрано оптической системой и сконцентрировано на небольшом участке рабочей поверхности. Слаботочная стадия ВЧ разряда уже успешно использовалась для накачки лампы на молекулах ХеС1 [3]. Такие лампы излучают при низком давлении рабочей смеси на системе полос 236 нм ХеС1(0-Х)-308 нм ХеС1(В-Х), а в их газовых смесях применяется дорогостоящий эксиме-рообразующий газ - ксенон. Для продвижения в область бактерицидного ультрафиолета и удешевления ламп перспективной является работа на смеси Не-С12. На основе этой смеси ранее нами была проведена оптимизация излучения малогабаритной лампы на молекулах хлора с накачкой тлеющим [4] и вольерным разрядами низкого давления [5].
В настоящей работе представлены результаты исследования эмиссионных характеристик плазмы простого УФ излучателя на молекулах хлора, рабочая среда которого формировалась в продольном ВЧ разряде.
Продольный ВЧ разряд зажигался в разрядной трубке из кварца с внутренним диаметром 1.4 см. Расстояние между цилиндрическими электродами из никеля составляло 3 см. Разряд в трубке зажигался с использованием модулированного по амплитуде напряжения (/ = 50 Гц) высокочастот-
ного генератора ЭН-57М (/0 = 1.76 МГц). Средняя мощность ВЧ генератора регулировалась в пределах 125-250 Вт. Подача напряжения на один из электродов лампы проводилась через разделительный конденсатор емкостью 200 пФ. Источник ЭН-57М формировал макроимпульсы напряжения амплитудой до 6 кВ и длительностью по основанию осциллограммы 10-12 мс. Для охлаждения разрядной трубки применялось принудительное воздушное охлаждение.
Излучение плазмы в спектральной области 195-670 нм анализировалось при помощи моно-хроматора МДР-2, фотоумножителя "Фотон" и быстродействующего импульсного осциллографа С1-99. Полная мощность УФ излучения плазмы измерялась по методике, описанной в нашей работе [6] с применением измерителя "Кварц-01". Излучение лампы поступало на измерительную головку прибора "Кварц-01" через светофильтр, который не пропускал видимое и инфракрасное излучение. Исследование характеристик лампы проводилось как в газостатическом режиме, так и при продольной прокачке рабочей смеси через разрядную трубку со скоростью не более 0.1 л/мин.
На рис. 1 представлены типичные спектры излучения плазмы продольного ВЧ разряда в УФ и видимом диапазонах длин волн, а также спектр излучения плазмы гелия. Все спектры на рис. 1 представлены с учетом относительной спектральной чувствительности системы монохрома-тор + фотоумножитель. В УФ области длин волн основным было излучение характеристических полос хлора с к = 200, 257 и 306 нм. По яркости излучения наиболее выделялась полоса при 200 нм С1**. Она перекрывалась с полосой при 257 нм
ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
11
I/k%, отн. ед. 1.0
0.5
0
200 нм Cl2
(а)
257 нм Cl2 (D - А')
200
lgI/k%, отн. ед. 101
240
280
100
10"
(б)
320
667.8 нм HeI
587.6 нм HeI
501.6 нм HeI
520
lgI/k%, отн. ед. 100
600 680
10 1 0.1 0.01
(в)
447.1 нм HeI
667.8 нм HeI 656.3 нм HeI
OH (А-X)
587.6 нм HeI 501.6 нм HeI
300
400
500
600 X, нм
I, отн. ед. 3
(а)
200
1.0
0.5
400 (б)
600 800 P (He), Па
40
80
120 160
P (Cl2), Па
Рис. 1. Спектры излучения плазмы на смеси P(He) (300 Па)-Р(С!2) (100 Па) (а, б) и P(He) (400 Па) (в).
С12(й'-Л'), что позволило сформировать континуум в диапазоне 195-265 нм. Ширина полосы излучения при 200 нм была наименьшей, что представляет интерес для получения бактерицидного излучения с применением недорогой рабочей среды.
Рис. 2. Зависимости яркости полос излучения хлора при 306 (1), 257 (2) и 200 нм (3) от величины парциального давления гелия (а) при /(С^) (80 Па) и парциального давления хлора (б) при Р(Не) (270 Па).
Излучение в видимой области спектра состояло из полос молекул примесей и спектральных линий при 501.6, 587.6 и 667.8 нм HeI. Молекулы хлора сильно тушат излучение на переходах атома гелия и водорода, что следует из сравнения спектра на рис. 16 с контрольным спектром для разряда в гелии (рис. 1в).
Результаты оптимизации яркости УФ излучения полос молекулы хлора в зависимости от величины давления и парциального состава смеси He-Cl2 (рис. 2) показали, что оптимальное парциальное давление гелия находится в диапазоне 100— 300 Па, а оптимальное парциальное давление хлора составляет 80-140 Па. Увеличение мощности источника накачки с 150 до 250 Вт приводило к увеличению яркости всех полос излучения хлора более чем на порядок без признаков насыщения скорости роста. При работе в режиме медленной продольной прокачки смеси гелия и хлора возможна устойчивая работа УФ излучателя в течение десятков часов.
На рис. 3 представлены зависимости интенсивности излучения спектральных линий HeI от парциального давления гелия (P(He)) в ВЧ разряде на смеси He-Cl2. С увеличением P(He) интенсивности всех линий He значительно уменьшались. Они
0
0
12
ШУАИБОВ и др.
^ I / кк, отн. ед.
10^ 3'а
2'. 1'"
100
10-
10-
100 300 500 700
Р (Не), Па
Рис. 3. Зависимости интенсивности излучения спектральных линий гелия при 501.5 (1), 587.6 (2) и 667.8 нм (3) в продольном ВЧ разряде в смеси Не-С12 от парциального давления гелия (при Р(С12) = 80 Па); Г-3' интенсивности линий гелия в разряде без хлора.
г, мкс 1.0
20
40 2' 1Р, отн. ед.
0.2 0 -0.2 I, А
0.2
г, мкс 1.0
0 -0.2 I, А 0
1 Ъ——
г, мкс 10
г, мкс 10
2
20 40
1Р, отн. ед.
Рис. 4. Осциллограммы тока (1, 1') и излучения плазмы (2, 2') ВЧ разряда в смеси Р(Не) (160 Па)-Р(С12) (40 Па), где 1', 2' - высокочастотные составляющие тока и излучения плазмы, 1, 2 - усредненные значения тока и излучения (пояснения в тексте).
также уменьшались в разряде на смеси Не-С12 по сравнению с разрядом в чистом гелии (точки 1'-3' на рис. 3).
Динамика протекания тока и излучения разрядной плазмы исследовалась на субмикросе-кундном уровне (ВЧ ток и излучение), а также ус-
реднением за период ВЧ колебаний значения тока и излучения (рис. 4). Амплитуда полуволны тока накачки достигала 0.1-0.3 А, а ее длительность по основанию составляла 300 нс. Увеличение Р(Не) с 160 до 640 Па приводило к уменьшению амплитуды тока накачки в два раза. Осциллограммы излучения разряда включали переменную составляющую с длительностью 300 нс, частота следования которой была равна удвоенной частоте накачки, и постоянную составляющую. Значительный вклад мощности УФ излучения приходится на постоянную составляющую (рис. 4, пунктирная кривая). С увеличением Р(Не) и Р(С12) вклад переменной составляющей в суммарное УФ излучение плазмы увеличивался. Максимумы ВЧ излучения плазмы коррелировали с участками спада и увеличения высокочастотной составляющей тока. При низком давлении смеси Не-С12 одной из основных реакций образования возбужденных молекул хлора может быть реакция С1* + С12 —- С1* + С1. В приэлектродных слоях ВЧ разряда эффективно образуются также ионы С1- и С1+ [7], рекомбинация которых может приводить к образованию молекул С12** и С12(й').
На переднем и заднем фронтах макроимпульса излучения были обнаружены максимумы излучения. Временная структура макроимпульсов излучения становилась более выраженной с увеличением Р(С12).
В теоретических работах [7-9] было установлено, что в ВЧ разряде в галогенсодержащих газах на границе плазма-слой формируются скачки плотности электронов и ионов. Эти скачки в результате вышеуказанных реакций образования возбужденных молекул хлора и приводят к образованию скачков УФ излучения плазмы. На основе данного эффекта возможна разработка эффективного галогенного излучателя низкого давления с накачкой поперечным ВЧ разрядом, активная среда у которого будет состоять в основном из приэлектродных плазменных слоев.
Абсолютные измерения полной мощности УФ излучения со всей поверхности разрядной трубки показали, что она достигает 7-10 Вт при КПД <7%.
Таким образом, исследование эмиссионных характеристик плазмы продольного высокочастотного разряда на смеси гелия и хлора показало, что его плазма является мощным источником бактерицидного излучения на переходах молекул хлора в спектральном диапазоне 195-265 нм; оптимальный состав рабочей среды реализуется при Р(Не) = 100-300 Па и Р(С12) = 80-140 Па; УФ излучение плазмы имеет переменную и постоянную составляющие; мощность УФ излучения плазмы разряда достигает 10 Вт при КПД < 7%; на осно-
0
ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ НИЗКОИ ПЛОТНОСТИ
13
вании исследуемого разряда может быть разработана малогабаритная бактерицидная лампа с дешевой газовой смесью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ломаев М.И., Скакун B.C., Соснин Э.А., Тарасен-ко В.Ф. и др. // УФН. 2003. Т. 173. № 2. С. 201-217.
2. Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И В. // Опт. и спектр. 2002. Т. 92. № 5. С. 760-762.
3. Головицкий А.П. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. В. 6. С. 63-67.
4. Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера ИВ. // ТВТ.
2001. Т. 39. № 4. С. 833-835.
5. Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И В. // Письма в ЖТ
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.