Електророзрядна галогенна лампа

Винахід відноситься до світлотехніки та фізики високочастотного розряду в газах. Він може застосовуватися в мікроелектроніці, фотохімії, біотехнологіях і медицині. Відома галогенна лампа, в якій використовується плазма повздовжнього тліючого розряду низького тиску в сумішах інертних газів з парами йоду [1]. Лампа випромінює на довжині хвилі 206нм Л при потужності, яка вноситься в плазму 10-600Вт. Під час роботи лампи основна маса йоду була сконцентрована на внутрішній поверхні розрядної трубки і частково поглинала випромінювання на робочій довжині хвилі випромінювання йодної лампи. Це призводило до зменшення потужності УФ випромінювання лампи та її коефіцієнту корисної дії. Оскільки все випромінювання такої галогенної лампи було зосереджено лише в межах однієї спектральної лінії атому йоду, то такі лампи в порівнянні з лампами на димерах галогенів, мають обмеження по резонансній дії УФ випромінювання на молекулярні зв'язки різних складних молекул, в тому числі і вірусів. Найбільш близькою до запропонованої електророзрядної галогенної лампи є лампа, що випромінює на молекулі ХеСl(В-Х) з довжиною хвилі 308нм [2]. Формування робочого середовища в цій лампі здійснювалося в слабострумовому розряді високої частоти (f дорівнює 13,56МГц). Середні потужність УФ випромінювання лампи з робочою циліндричною апертурою в оптимізованій по тиску і складу газовій суміші ксенону з хлором не переважала 1Вт. Недоліком цієї лампи є використання слабкострумової стадії високочастотного розряду, що обмежує вихідні енергетичні характеристики лампи. Крім цього, випромінювання електророзрядної лампи, яка працює на суміші Хе/Сl2 зосереджено переважно в смугах 308нм ХеСl(В-Х) і 236нм XeCl(D-X) [3] і не охоплює бактерицидну ділянку спектру 190-230нм. Це обмежує коло можливих застосувань лампи в медицині, генетиці та біотехнологіях. В даній лампі використовується коштовний інертний газ - ксенон, що значно обмежує можливість роботи лампи в режимі повільної заміни робочої суміші і робить її недосяжною для широкого кола застосувань. Усунення даних недоліків можливо шляхом розробки електророзрядної галогенної лампи, яка працює на малокоштовних газових сумішах і випромінює в спектральному діапазоні 190-230нм. Завданням винаходу є розширення спектрального діапазону випромінювання лампи в бактерицидну ділянку спектру, де довжина хвилі випромінювання знаходиться в спектральному діапазоні 190-230нм; збільшення потужності ультрафіолетового випромінювання низькотемпературної плазми на основі газової суміші гелію з хлором, здешевлення робочого середовища лампи, яка збуджується в повздовжньому високочастотному розряді. Поставлене завдання досягається таким чином, що електророзрядна галогенна лампа, яка містить систему електродів, розрядну трубку, роздільний конденсатор, джерело високочастотної напруги та робочу газову суміш гелію з хлором згідно винаходу, відрізняється тим, що в якості робочої газової суміші використано суміш гелій/хлор, а для збудження розряду в ній використано сильнострумовий повздовжній високочастотний розряд з оголеними електродами, який запалюється в суміші гелій/хлор при оптимальному парціальному складі робочого середовища, а саме при значенні парціального тиску хлору рівному 110-130Па, значенні парціального тиску гелію рівному 100-300Па, при цьому основними робочими хвилями випромінювання лампи є система широких молекулярних смуг, а саме при довжині хвилі 200нм смуга молекули хлору Сl2 на (1 å -П4 ) переході, при довжині хвилі 257нм смуга молекули хлору Сl2 на (D'-A') переході і при довжині хвилі 306нм смуга збудженої молекули хлору Сl2*, які в сукупності перекривають спектральний діапазон 190-310нм, а максимальна потужність ультрафіолетового випромінювання складає величину 10Вт. Перевагами запропонованої електророзрядної галогенної лампи над прототипом є розширення спектрального діапазону випромінювання в бактерицидну ділянку спектру 190-230нм, використання малокоштовної робочої газової суміші, яка дозволяє працювати в режимі прокачування, та збільшення потужності ультрафіолетового випромінювання більш ніж на порядок. На фіг.1 наведена конструкція і система живлення електророзрядної галогенної лампи. Лампа складається з двох однакових металевих (листовий нікель) електродів циліндричної форми довжиною 15мм і зовнішнім діаметром 14мм (1), кварцової розрядної трубки з внутрішнім діаметром 14мм та міжелектродною віддаллю 30мм - (2) і роздільного імпульсного конденсатора C0=200пФ. Розряд в лампі запалювався з допомогою джерела високочастотної напруги з середньою потужністю 250Вт (3) і частотою коливань 1,76МГц. Високочастотна напруга була модульована по амплітуді низькою частотою рівною 50Гц. Максимальна амплітуда високочастотних коливань напруги на виході джерела живлення лампи досягала 5-6кВ. Для виключення постійної складової розрядного струму в робочому електричному колі лампи, подача високочастотної напруги на один з електродів здійснювалася через роздільний імпульсний конденсатор С0 з ємністю 200пФ. Робочою апертурою лампи була циліндрична бічна поверхня розрядної трубки, яка знаходилася між електродами лампи. Площа робочої апертури лампи складає 13,2см2. Електророзрядна галогенна лампа працює наступним чином. У вакуумовану до залишкового тиску 10-3Па розрядну трубку (2) напускали суміш гелію та хлору при оптимальних парціальних тисках. На один з електродів (1) розрядної трубки (2) через роздільний імпульсний конденсатор C0 необхідно подати високочастотну модульовану напругу з амплітудою 5-6кВ. При цьому в ній запалюється просторово-однорідний розряд циліндричної форми білого кольору. В плазмі на основі суміші гелію з хлорому під дією електронів повздовжнього високочастотного розряду утворюються збуджені атоми хлору та іони Сl-, Сl+. В результаті реакцій Cl * +Cl2 ® Cl2 * * + Cl; Cl- + Cl+ ® Cl2 * * утворюються в плазмі збуджені молекули хлору. За рахунок коливальної релаксації під дією атомів гелію і молекул хлору збуджені на високо розміщені електронно-коливальні стани молекули хлору Сl2** релаксують у низько розмішені стани Cl2(D’) і Сl2*. При спонтанному розпаді збуджених молекул хлору випромінюються смуги 200, 257 та 306нм. В результаті незавершеності коливальної релаксації в межах збуджених станів молекули хлору при низькому тиску газового середовища смуги випромінювання є значно потовщеними і перекриваються між собою. В результаті цього формується суцільний континуум в спектральному діапазоні 190-310нм. Спектр випромінювання електророзрядної галогенної лампи на суміші гелію та хлору наведено на фіг.2. Лампа випромінює в спектральному діапазоні 190-310нм широкі смуги молекули хлору з максимумами при 200, 257 і 306нм. Так як коливальна релаксація в межах збуджених станів молекули хлору в плазмі повздовжнього високочастотного розряду в суміші Нe/Сl2 є незавершеною, тому всі смуги випромінювання хлору перекриваються між собою і формують єдиний континуум. Найбільш яскравими є смуги випромінювання молекули хлору з максимумами при 200 та 257нм. На фіг.3, 4 представлені залежності яскравості випромінювання смуг молекул хлору від величини парціального тиску гелію при Р(Сl2), рівному 80Па (Фіг.3) та ці ж величини яскравості випромінювання в залежності від парціального тиску хлору при величині Р(Не), рівній 270Па (Фіг.4). Оптимальні значення парціального тиску гелію знаходяться в діапазоні 100-300Па, а оптимальна величина парціального тиску хлору дорівнює 120Па. Залежність сумарної потужності ультрафіолетового випромінювання молекул хлору при збільшенні величини електричної потужності на виході джерела живлення лампи в межах 150-250Вт була лінійно зростаючою без ознак насичення. Часові характеристики струму розряду та випромінювання плазми повздовжнього високочастотного розряду в суміші Р(Не)/Р(Сl2) (дорівнює 160/40 Па) представлені на Фіг.4. Величина амплітуди півхвилі струму високочастотного розряду складає 0,2А. Максимальна тривалість півхвилі розрядного струму дорівнює 350нc. Випромінювання плазми на субмікросекундному часовому проміжку мало постійну складову, яка була модульована по амплітуді з подвійною частотою повторення високочастотного струму в робочому електричному колі лампи яка дорівнює 3,5МГц. Усереднені за період високочастотних коливань імпульси струму та випромінювання в цій же суміші наведено на нижній частині Фіг.5. Максимальна тривалість макроімпульсів струму досягає 7-8мс, а імпульсів сумарного УФ випромінювання плазми 9мс. На передньому фронті макроімпульсу випромінювання виявлено один вузький короткотривалий максимум. Цей короткий спалах випромінювання викликаний утворенням стрибків густини електронів, негативних і позитивних іонів на границі ”плазма-приелектродний шар” повздовжнього високочастотного розряду. На передньому фронті макроімпульсу випромінювання стрибки параметрів плазми проявлялися в області порогу пробою розрядного проміжку. Максимальна потужність випромінювання в спектральному діапазоні 190-310нм з усієї бічної поверхні лампи досягає 10Вт при величині електричної потужності джерела живлення повздовжнього високочастотного розряду 150-250Вт. Електророзрядна ультрафіолетова галогенна лампа може застосовуватися в фотохімії, біофізиці, екології, медицині та генетиці. Джерела інформації: 1. Lomaev M.I., Tarasenko V.F. Xe(He)-J2 glow and capacitive discharge excilamps // International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers IV, Proceeding of SPIE. 2001. V.4747. P.390-398. (Прототип) 2. Головицкий А.П. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления в смеси инертных газов и галогенов для экономичных безртутных люминесцентных источников // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. вып.6. С.63-67. (Прототип). 3. Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И.В. Условия совместного образования хлоридов криптона и ксенона в тлеющем разряде низкого давления // Теплофизика высоких температур. 2002. Т.40, №2. С.337-339.