научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ XECL ЭКСИПЛЕКСНОЙ ЛАМПЫ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ XECL ЭКСИПЛЕКСНОЙ ЛАМПЫ»

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.

Показать целиком