ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 9, с. 862-872
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.92,535-31,621.327
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ XeCl ЭКСИПЛЕКСНОЙ ЛАМПЫ
© 2013 г. С. В. Автаева*, Э. А. Соснин**,****, Б. Саги***, В. А. Панарин**, Б. Рахмани***
* Кыргызско-Российский Славянский университет, Бишкек, Кыргызская Республика ** Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия *** Факультет электроники университета науки и технологии Мохаммеда Бодиафа, Оран, Алжир **** Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия
e-mail: s_avtaeva@mail.ru Поступила в редакцию 22.10.2012 г.
Окончательный вариант получен 08.01.2013 г.
Экспериментально и теоретически изучено влияние концентрации хлора на эффективность излучения коаксиальной эксиплексной лампы (эксилампы) барьерного разряда в бинарных смесях Xe-Cl2 при давлении рабочей смеси 240—250 Торр. Экспериментальные исследования проведены в диапазоне концентраций Cl2 0.01—1%. Расчеты характеристик барьерного разряда выполнены в рамках одномерной гидродинамической модели в диапазоне концентраций Cl2 0.1—5%. Показано, что при концентрации хлора в смеси 0.01—0.1% интенсивности излучения полос Xe* (172 нм) и XeCl* (308 нм) сопоставимы, причем с ростом концентрации Cl2 в смеси интенсивность излучения молекулы Xe* быстро падает и при концентрации хлора >0.2% излучение полосы B —► X молекул XeCl* с максимумом интенсивности на длине волны 308 нм доминирует в потоке излучения разряда. Максимальная эффективность излучения этой полосы наблюдается при концентрациях хлора 0.4—0.5%. Рассчитанные значения эффективности излучения барьерного разряда превышают экспериментально измеренные, что связано с ограничениями одномерной модели, рассматривающей разряд однородным в поперечном направлении, в то время как реальный разряд в эксилампах является сильно неоднородным. Численно изучено влияние концентрации хлора на свойства плазмы барьерного разряда в бинарных смесях Xe-Cl2. Показано, что увеличение концентрации Cl2 в смеси приводит к прилипанию электронов к атомам хлора и уменьшению концентрации электронов и проводимости разряда. Это вызывает рост электрического поля и увеличение падения потенциала на разрядном промежутке, что в свою очередь обуславливает рост средней энергии электронов, и, как следствие, увеличение вероятности диссоциации молекул Cl2 и ионизации атомов Xe и молекул Cl2. Полная мощность, вкладываемая в разряд, увеличивается с ростом концентрации хлора вследствие роста мощности, расходуемой на нагрев положительных и отрицательных ионов; мощность, рассеиваемая электронами, уменьшается с ростом концентрации хлора в рабочих смесях. Даны рекомендации по выбору величины содержания хлора в смеси для снижения интенсивности вакуумного ультрафиолетового излучения второго континуума эксимера Xe*2 при незначительном уменьшении эффективности эксилампы.
DOI: 10.7868/S0367292113080027
1. ВВЕДЕНИЕ
Эксилампы относятся к сравнительно новому семейству источников спонтанного УФ-излуче-ния, основанных на неравновесном излучении эксимерных и эксиплексных молекул [1, 2]. Одной из наиболее востребованных сегодня является эксилампа на основе газовой среды Хе-С12 [2]. Эта лампа представляет большой интерес для осуществления фотохимических и фотобиологических процессов [2—7]. При условиях, типичных для ХеС1-эксиламп барьерного разряда (короткий разрядный промежуток и относительно высокое давление) считается, что в спектре излучения до-
минирует интенсивная В —X полоса ХеС1* с максимумом интенсивности на длине волны 308 нм [1, 8—10]. Интенсивность Э —» X и С —»- А полос молекулы ХеС1*, а так же молекулярных
полос С1* в спектре излучения ХеС1-эксилампы при возбуждении барьерным разрядом сравнительно мала [9]. В [10] показано, что оптимальные характеристики эксиламп наблюдались при давлении 120 Торр в смеси Хе:С12 ~ 120:(1—0.5). Наш опыт эксплуатации ХеС1-эксиламп в этих условиях выявил, что в процессе работы помимо излучения такая лампа формирует в окружающем воздухе озон. И это, несмотря на то, что используются
марки кварца, которые почти не пропускают вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение. Таким образом, есть основания предполагать, что при указанных величинах давления и соотношении Хе:С12 заметный вклад в лучистый поток эк-силампы, помимо молекулы ХеС1*, вносит 2-й
континуум молекул Хе* (континуум имеет максимум на длине волны X = 172 нм и основание — несколько десятком нм). Известно, что концентрация хлора в бинарной смеси Хе:С12 сильно влияет на характеристики ХеС1-эксиламп [2, 10]. В связи с этим логична постановка задачи на исследование вклада обоих указанных молекул в излучение этой распространенной эксилампы при изменении концентрации хлора в бинарной смеси.
Проведенный анализ литературных данных показал, что механизмы влияния концентрации хлора на характеристики барьерного разряда в смеси Хе-С12 подробно не исследованы, и вопрос о полной эффективности излучения ХеС1-экси-ламп барьерного разряда остается открытым [2].
В [11] разработана гидродинамическая модель плазмы барьерного разряда (БР) в смеси Хе-С12, предназначенная для расчета электрических и оптических характеристик разряда и исследования физико-химических процессов в различных фазах разряда. В настоящей работе эта модель использована для исследования влияния концентрации хлора в смеси Хе-С12 на электрические характеристики и эффективность излучения эксилампы БР на различных длинах волн. Исследовано влияние добавок хлора на диссипацию электрической энергии электронами и ионами в плазме барьерного разряда в смесях Хе-С12. Наряду с численными исследованиями проведены измерения мощности и эффективности излучения молекул
ХеС1* и Хе* в потоке излучения двубарьерной коаксиальной ХеС1-эксилампы барьерного разряда при различном содержании хлора в смеси. Данные моделирования сравниваются с результатами экспериментальных исследований эффективности излучения ХеС1-эксилампы.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ
Для эксперимента использовалась колба, выполненная из двух коаксиальных кварцевых трубок 1, 2, имеющих толщину 1.5 мм и герметично запаянных на концах (рис. 1). Внешние диаметры трубок 1 и 2 составляли 11 и 21 см, соответственно. Кварцевые трубки образуют разрядный промежуток 3 длиной 4 мм. Колба была изготовлена в ООО "Технокварц" из кварца, имеющего при указанной толщине пропускание 65% на длине волны 172 нм.
Рис. 1. Конструкция коаксиальной эксилампы барьерного разряда: 1, 2 — внешняя и внутренняя кварцевые трубки колбы, 3 — разрядный промежуток, 4 — внешний перфорированный электрод, 5 — внутренний электрод-отражатель, 6 — импульсный источник питания.
Сплошной металлический электрод 5 был размещен на оси трубок, внутри трубки меньшего диаметра. Внешний электрод 4 был перфорированным и имел пропускание 86%. Этот электрод был заземлен. Длина разрядной зоны, которую образуют электроды, составляла 12 см.
Давление смеси в разрядном промежутке было фиксировано и составляло 240 Торр, а концентрация С12 варьировалась в диапазоне от 0.01 до 1%. Барьерный разряд зажигался при подаче от источника питания 6 на электроды импульсов напряжения с амплитудой 5 кВ и частотой повторения 55.8 кГц.
Осциллограммы импульсов напряжения и тока на эксилампе регистрировались с помощью осциллографа TDS-224, делителя напряжения и токового шунта. Полная (активная) мощность, вкладываемая в лампу, определялась как
Рп = /11 ()и (
(1)
где / — частота следования импульсов; Ц(/), /(/) — мгновенные значения напряжения и тока; Т — период.
Кроме того, в нескольких случаях были проведены измерения активной мощности, вкладываемой в лампу, по термодинамической методике, описанной нами в [12]. Получено хорошее согласие измеряемых таким образом величин мощности Р1п со значениями мощности, рассчитанными по мгновенным значениям напряжения и тока согласно (1).
Для измерения энергетической светимости использовали фотодетектор С8026 фирмы Нашаша18и с двумя головками, чувствительными
0
Таблица 1. Мощность излучения эксилампы в УФ и ВУФ-дипапазонах, вводимая мощность и эффективность излучения при различных концентрациях хлора в смеси
Cl2, % Мощность излучения, Вт Вводимая мощность, Вт п, %
XeCl* (308 нм) Xe* (172 нм)
1 0.52 9.7 х 10-4 31.3 1.7
0.4 0.63 2.6 х 10-3 32.1 2
0.2 0.71 10.3 х 10-3 39.6 1.8
0.01 0.37 0.24 37.9 1.6
в диапазоне 160—350 нм (Н8025-222) и в диапазоне 150—220 нм (Н8025-172). Головки использовались одновременно, располагаясь на кассете, в которой можно было быстро заменять одну головку другой.
Поскольку спектральная чувствительность обоих головок была известна, можно было точно измерять долю излучения, которая приходится на
молекулу ХеС1* и излучаемую молекулой Хе* в ВУФ-диапазоне спектра. Поскольку оба детектора обладают спектральной чувствительностью в диапазоне X ~ 150—220 нм, то для определения вклада ВУФ-излучения в энергетическую светимость, измеряемую головкой Н8025-172, использовался стеклянный светофильтр БС-3. Аналогично определялся вклад УФ-излучения молекулы ХеС1* в энергетическую светимость, измеряемую головкой Н8025-222.
Cb
Рис. 2. Конфигурации барьерного разряда, используемая при моделировании. 1 — левый заземленный электрод, 2 — правый нагруженный электрод, йЬ2 — толщина диэлектриков, ^ — ширина разрядного промежутка, Сь — емкость диэлектриков, и() — источник напряжения. На рисунке левый (заземленный) электрод соответствует внешнему электроду эксилампы (рис. 1), правый (нагруженный) электрод — внутреннему электроду эксилампы.
Мощность излучения лампы в диапазоне X = = 200—350 нм определялась фотоприемником 10 HAM AM AT S U H8025-222 (с максимумом спектральной чувствительности на 222 нм), располагаемым вплотную к поверхности колбы, по формуле
Prad = ES, (2)
где E — энергетическая освещенность, которую излучение лампы создает на фотоприемнике с учетом спектральной чувствительности; S — площадь излучающей поверхности лампы.
В литературе мощность излучения определяют также по формуле Кайтца [13]
prad = 2nDL E, (3)
2а + sin(2a)
где D —
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.