Газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа

Корисна модель відноситься до світлотехніки і фізики плазми електричних розрядів малої щільності в сумішах інертних газів з галогеновмісними молекулами. Він представляє зацікавленість для використання в різних оптичних те хнологіях, фото хімії, фо тобіології, мікроелектроніці, екології тла фотомедицині. Відома газорозрядна ультрафіолетова лампа, що випромінює переважмо на В-Х смузі з довжиною хвилі 222нм молекули хлориду криптону і яка збуджується за допомогою тліючого коаксіального розряду [1]. Робочою сумішшю в лампі використана суміш криптону з хлором; катод і розрядна трубка охолоджувалися водою з водопровідної мережі. Середня потужність ультрафіолетового випромінювання лампи досягала 130Вт, а її коефіцієнт корисної дії не переважав 14%. Ресурс роботи лампи в газостатичних умовах не ви ходив за межі 1-2 годин, що приводило до значних втрат коштовної газової суміші на основі криптону. Це у значній мірі обмежувало застосування даної лампи в різноманітних технологіях, в яких використовується дія потужного ультрафіолетового випромінювання на речовину. Найбільш близьким до запропонованої лампи ультрафіолетового діапазону випромінювання відносно техніки формування плазми та складу її робочого середовища є лампа, що містить систему електродів, кварцову розрядну трубку, обмежуючий опір, джерело високої напруги та суміші гелію чи неону з парами йоду, які збуджувалися в повздовжньому тліючому розряді з природним повітряним охолодженням. Ця лампа випромінювала лише на резонансній спектральній лінії атома йоду [2]. Оскільки йод практично не взаємодіє з кварцовою розрядною трубкою і слабо взаємодіє з електродами лампи, які були виготовлені з нікелю, то її ресурс роботи на одній газовій суміші досягав 1000 годин. Лампа випромінювала з середньою потужністю 5-15Вт при максимальному коефіцієнті корисної дії 11%. Головним недоліком цієї лампи є те, що вона була оптимізована лише за випромінюванням резонансної лінії 206,2нм атома йоду, а випромінювання молекул йоду в області довжин хвиль 260-350нм було проігноровано. Це призвело до зменшення як потужності ультрафіолетового випромінювання, так і коефіцієнта корисної дії лампи. Задачею корисної моделі є розширення спектрального діапазону ультрафіолетового випромінювання в область більш довгих довжин хвиль та збільшення рівномірності перекриття спектрального діапазону 207-400нм випромінювання газорозрядної ексиплексно-галогенної лампи. Поставлена задача досягається таким чином, що газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа, яка містить систему електродів, кварцову розрядну тр убку, обмежуючий опір, згідно корисної моделі. робоча газова суміш складається із криптону та ксенону з парами брому і йоду, при цьому лампа випромінює при парціальних тисках компонент газової суміші (400-800)/(200-400)/(200-400)/(100-200)Па відповідно і при електричній потужності тліючого розряду 15-100Вт в спектральному діапазоні 206-400нм на резонансній спектральні лінії 206,2нм атома йоду та континууму в спектральному діапазоні 230-390нм, який формується на основі спектральних смуг 221нм молекули броміду ксенону на D-X переході, 253нм йодиду ксенону на В-Х переході, 289нм молекули брому на В-Х переході, 342нм молекули йоду на В-Х переході і 386нм молекули йодиду брому на В-Х переході, які в сукупності випромінюють максимальну потужність 12Вт при найбільшому коефіцієнті корисної дії 10% та ресурсі роботи в газостатичному режимі 500 годин. Перевагами запропонованої газорозрядної ексиплексно-галогенної ультрафіолетової лампи над прототипом є те, що крім випромінювання резонансної спектральної лінії 206,2нм атома йоду, було досягнуто і рівномірного перекриття випромінюванням спектрального діапазону 230-390нм. Це стало можливим за рахунок використання комплексного малоагресивного галогеноносія, яким служила суміш парів брому і йоду та використанням ексиплексноформуючого інертного газу - ксенону. Така газова суміш дозволяє отримувати наступні ексиплексні молекули: броміди і йодиди ксенону, а також інтергалогенідну сполуку - йодид брому, на основі яких і було сформовано рівномірний за спектром континуум в діапазоні 230-290нм. Використання в якості буферного газу криптону важливе з точки зору великих значень константи швидкості передавання енергії від метастабільних атомів криптону атомам ксенону в основному стані [3]. В результаті цього процесу утворюються збуджені (в тому числі і метастабільні) атоми ксенону, які відіграють основну роль при утворенні бромідів та йодидів ксенону в тліючому розряді. Широкосмугове ультрафіолетове випромінювання є перспективним для використання в спектроскопії поглинання, а розроблена лампа може розглядатися як альтернативна до відомих ламп на молекулах гідрогену і дейтерію. Газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа викликає також зацікавленість і як джерело бактерицидного випромінювання, оскільки основні частини її спектру випромінювання (спектральна лінія 206,2нм та континуум в діапазоні 207-260нм потрапляє в максимуми спектру поглинання молекул ДНК [4], що важливо для застосування лампи в фотобіології. На Фіг.1. наведена будова і схема живлення газорозрядної ексиплексно-галогенної ультрафіолетової лампи. Лампа складається із металевих циліндричних електродів довжиною 15мм - 1, кварцової розрядної трубки з внутрішнім діаметром 14мм - 2. Відстань між електродами лампи складає 100мм. Тліючий розряд запалювався з використанням високовольтного випрямляча - 3, напруга на виході якого могла регулюватися в діапазоні 1-25кВ при розрядному струмі 1-100мА. Додатна клема джерела живлення через опір - 4, який служив для обмеження струму в лампі, була поєднана до аноду розрядної трубки. Кристали йоду - 5 розміщувалися у спеціальному відростку, що встановлювався за анодом лампи. Пари брому та важкі інертні гази надходили в розрядну трубку із вакуумно-газозмішувальної системи, яка дозволяла готувати робочі газові суміші різного тиску і складу. Перед заправленням робочою сумішшю кварцова трубка відкачувалася до залишкового тиску 5-7Па і неодноразово промивалась спектрально чистими інертними газами. Трубка також знегажувалась і пасивувалась в суміші парів брому з йодом шляхом запалювання тліючого розряду при максимальному розрядному струмі. Розрядна трубка вважалася готовою до проведення оптимізації вихідних характеристик лампи коли в спектрах випромінювання розрядної плазми повністю відсутнє випромінювання смуг другої позитивної системи молекули азоту (основна смуга 337,1нм молекули азоту). Методика і техніка вимірювання вихідних характеристик лампи приведена в працях [5, 6]. Газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа працює наступним чином. У відкачану до тиску 5Па і попередньо пасивовану в парах брому і йоду розрядну трубку необхідно напустити суміш криптону, ксенону та парів брому і йоду при наступному співвідношенні їх парціальних тисків (400-800)Па, (200-400)Па, (200-400)Па. Тиск парів йоду при кімнатних температурах, які з відростку із кристалічним йодом самі поступали в розрядну трубку, знаходився в діапазоні (100-200)Па. На анод розрядної трубки необхідно подати постійну напругу величиною 1-1,5кВ внаслідок чого в ній запалиться повздовжній тліючий розряд. В розрядній плазмі на основі суміші криптону і ксенону з парами брому та йоду під дією електронів позитивного стовпа тліючого розряду утворюються збуджені атоми йоду, збуджені молекули йоду і брому, броміди і йодиди ксенону, та інтергалогенідна сполука - йодид брому. При спонтанному розпаді цих збуджених молекул і атомів йоду випромінюється спектральна лінія 206,2нм атома йоду і ультрафіолетовий континуум в спектральному діапазоні 230-390нм, який формується на основі широких молекулярних смуг двоха томних молекул галогенів і ексиплексних молекул. Основними складовими цього континууму є: D-X (221нм) смуги молекул броміду ксенону, В-Х (253нм) смуги молекул йодиду ксенону, В-Х (282нм) смуги молекул броміду ксенону, В-Х (289нм) смуги молекул брому, В-Х (342нм) смуги молекул йоду і В-Х (386нм) смуги молекул йодиду брому. Достатньо однорідний розряд запалювався в сумішах, у яких сумарний вміст молекул-галогеноносіїв не переважав 600-700Па при сумарному тиску четверної суміші меншому за 2000Па. При малих струмах розряду (менших за 30мА) тліючий розряд існував у формі циліндра діаметром 2-6мм, а при збільшенні розрядного струму до 50-100мА діаметр центральної частини розряду збільшувався до 10-12мм. Вольт-амперні характеристики тліючого розряду, який збуджував ексиплексно-галогенну лампу, на сумішах криптон-ксенон-бром-йод при їхніх різних складах і тисках наведено на Фіг.2. Перша крива на Фіг.2 відповідає вольт-амперній характеристиці тліючого розряду на суміші криптону, ксенону, парів брому і йоду при парціальних тисках відповідно 800, 400, 400 та (100-200)Па, а друга крива - для четверної суміші із складом 400,400,400 і (100200)Па. В діапазоні струмів тліючого розряду 3-10мА у всіх робочих сумішах лампи формувався піднормальний розряд. При збільшенні струму тліючий розряд переходив в нормальну стадію горіння. Збільшення тиску суміші призводило до значного збільшення напруги горіння розряду при середніх струмах, які знаходилися в діапазоні 550мА. На основі цих вольт-амперних характеристик було встановлено, що потужність, яка вноситься в лампу знаходиться в межах 15-100Вт. При збільшенні струму вона збільшується (практично за лінійним законом в діапазоні розрядних струмів 10-100мА). Апаратний спектр випромінювання ексиплексно-галогенної лампи, яка працює на суміші криптону, ксенону та парів брому і йоду при парціальних тисках рівних відповідно 800, 130, 400 і (100-200)Па та розрядному стр уму рівному 30мА наведено на Фіг.3. В спектрі випромінювання лампи виділялася спектральна лінія 206,2нм атома йоду та система електронно-коливальних смуг молекули йоду з головним максимумом при 342нм. Ширина спектральної лінії атома йоду на половині інтенсивності складала 0,10-0,12нм і практично не залежала від складу і тиску робочої суміші, а також потужності, що вноситься в плазму лампи. При низьких тисках робочої суміші, яким відповідають малі швидкості коливальної релаксації в межах збуджених станів ексиплексних молекул та молекул галогеноносіїв, смуги випромінювання мали значну ширину і на їх основі формується ультрафіолетовий континуум. Основними складовими цього континуум у є смуги: 221нм XeBr(D-X), 253нм ХеІ(В-Х), 282нм ХеВr(В-Х), 289нм Вr2*, 342нм І2* та 386нм ІВr*. Криптон в четверній суміші відіграє роль внутрішнього джерела енергії, оскільки в суміші криптону з ксеноном відбувається ефективне передавання енергії від метастабільних атомів і димерів криптону атомам ксенону. Ці збуджені у метастабільні стани атоми ксенону в результаті "гарпунної реакції" (Хе*+Br2=XeBr*+Вr) є основним джерелом утворення ексиплексних молекул - броміду ксенону в плазмі тліючого розряду. Залежності інтенсивності випромінювання спектральної лінії 206нм атома йоду [1] та амплітуд смуг молекул ХеВr* [2] і І2* [3] для суміші криптону, ксенону з парами брому і йоду при тиску компонент, відповідно, 800, 400, 400 та 100-200Па, від величини електричної потужності тліючого розряду приведені на Фіг.4. Найвища швидкість зростання інтенсивності випромінювання атомів йоду і молекулярних смуг виявлена в діапазоні електричної потужності розряду 5-40Вт. При збільшенні потужності, що вноситься в розрядну плазму, інтенсивність ультрафіолетового випромінювання досягає насичення. Це зумовлено перегріванням розрядної трубки і перевищенням густини парів йоду над оптимальним значенням. При великих парціальних тисках парів йоду відбувається ефективне гасіння збуджених станів атомів і молекул, що і приводить до зменшення потужності ультрафіолетового випромінювання. Сумарна потужність випромінювання спектральної лінії атома йоду одного порядку з потужністю випромінювання всього ультрафіолетового континуум у. Для одержання максимальної потужності ультрафіолетового випромінювання лампи оптимальною є робоча суміш на основі криптону, ксенону, парів брому та йоду з складом, що знаходиться в таких межах: (400-800)Па, (200-400)Па, (200-400)Па та (100-200)Па. Максимальна ефективність випромінювання лампи спостерігалась при електричній потужності тліючого розряду, яка знаходилася в діапазоні 10-50Вт і досягала 10%. Найвища потужність ультрафіолетового випромінювання досягала 12Вт. Ресурс роботи лампи в газостатичному режимі не переважав 500 годин. Газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа на суміші криптону, ксенону і парів брому та йоду, яка випромінює спектральну лінію 207нм атома йоду та континуум в спектральному діапазоні 208-400нм, може використовуватися в мікроелектроніці, хімії високих енергій, біофізиці, медицині та екології. Джерела інформації: 1. Tarasenko V.E., Panchenko A.N., Skakun V.S., Sosnin E.A., Wang F.T., Myers B.R., Adamson M.G. Powerful glow discharge excilamp //Patent USA. №6376972 B1. 2. Lomaev M.I., Tarasenko V.F. Хe(Не)-J2 glow and capacitive discharge excilamps //International Conferece on Atomic and Molecular Pulsed Lasers IV, Proceeding of SPIE. 2002. Vol.4747. Р.390-398. (Прототип). 3. Cook J.D., Leichner P.K. Collisional and radiative excitation transfer in Kr-Xe mixtures: Emissions from the Xe(3P 1) resonant level and the Xe first continuum region //Physical Review. A. 1991. V.43. №3. P.1614-1617. 4. Von С. Sonntag //"Disinfection wich UV radiation", in Process Technologies for Water Treatment, S. Stucki, Ed. New. York: Plenum Press, 1987. 5. Шуаібов O.K., Шимон Л.Л., Дащенко А.Й, Шевера І.В. Електророзрядне джерело випромінювання низького тиску на хлоридах Аr, Кr, Хе і молекулах Сl2* //Журнал фізичних досліджень. 2001. Т.5. №2. С.131-138. 6. Шуаибов А.К., Шимон Л.Л., Дащенко А.И., Шевера И.В. Эксимерный излучатель низкого давления для спектральной области 170-310нм. //Приборы и техника эксперимента. 2002. №1. С.104-106.