Газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа

УКРАЇНА (19) UA (11) 83902 (13) C2 (51) МПК (2006) H01S 03/097 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) ГАЗОРОЗРЯДНА ЕКСИПЛЕКСНО-ГАЛОГЕННА УЛЬТРАФІОЛЕТОВА ЛАМПА 1 2 (13) 83902 (11) йоду 206,2нм та системі широких молекулярних смуг 253нм XeI(B-X) і 343нм I2(B-X). 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 5-10Вт при коефіцієнті корисної дії 5-7%. Головним недоліком цієї лампи є те, що вона була оптимізована лише за випромінюванням резонансної спектральної лінії 206,2нм атома йоду та системи широких молекулярних смуг 253нм XeI* і 343нм I2* в області довжин хвиль 206-350нм, а випромінювання в області спектру 350-400нм не спостерігалось для даної робочої суміші. Задачею винаходу є розширення спектрального діапазону ультрафіолетового випромінювання в область більш довгих довжин хвиль та збільшення рівномірності перекриття спектрального діапазону 206-400нм 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. Причому робоча газова суміш складається із криптону та ксенону з парами брому і йоду при збудженні тліючим розрядом. Запропонована лампа випромінює при парціальних тисках компонент газової суміші (400800)/(200-400)/(200-400)/(100-200) Па відповідно і при електричній потужності тліючого розряду 15100Вт в спектральному діапазоні 206-400нм на резонансній спектральні лінії 206,2нм атома йоду UA Винахід 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 технологіях, фото хімії, фотобіології, мікроелектроніці, екології та фотомедицині. Відома газорозрядна ультрафіолетова лампа, що випромінює переважно на В - X 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 130Bт, а її коефіцієнт корисної дії не переважав 14%. Ресурс роботи лампи в газостатичних умовах не виходив 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 те хнологіях, 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 бактерицидна лампа, що містить систему електродів, кварцову розрядну трубку, обмежуючий опір, джерело високої напруги та суміші ксенону з парами йоду, які збуджувалися в повздовжньому тліючому розряді [2]. Ця лампа випромінювала в спектральному діапазоні 206350нм на резонансній спектральній лінії атома C2 JP 11111235, 23.04.1999 RU 2285311, 10.10.2006 (57) Газорозрядна ексиплексно-галогенна ультрафіолетова лампа, яка містить систему електродів і кварцову розрядну трубку, під'єднану через обмежуючий опір до джерела високої напруги, та яка наповнена робочою газовою сумішшю інертних газів з парами галогенів, яка відрізняється тим, що робоча газова суміш складається із криптону та ксенону з парами брому і йоду. (19) (21) a200610629 (22) 09.10.2006 (24) 26.08.2008 (46) 26.08.2008, Бюл.№ 16, 2008 р. (72) ШУАІБОВ ОЛЕКСАНДР КАМІЛОВИЧ, U A, ГРАБОВА ІРИН А АРКАДІЇВН А, U A (73) УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA (56) UA 77762, 15.01.2007 SU 1774394, 07.11.1992 UA 76008, 15.06.2006 3 83902 та континууму в спектральному діапазоні 230390нм, який формується на основі спектральних смуг 221нм молекули броміду ксенону на D-X переході, 253нм йодиду ксенону на B-X переході, 289нм молекули брому на B-X переході, 342нм молекули йоду на B-X переході і 386нм молекули йодиду брому на B-X 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 стр умі 1-100мА. Додатна клема джерела живлення через опір - 4, який служив для обмеження струму в лампі, була під'єднана до аноду розрядної трубки. Кристали йоду - 5 розмішувалися у спеціальному відростку 6, 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 су 4 мішшю 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 др угої 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 тр убку, знаходився в діапазоні (100-200) Па. На анод розрядної трубки необхідно подати постійну напругу величиною 11,5кВ внаслідок чого и ній запалиться повздовжній тліючий розради В розрядній плазмі на основі суміші криптону ї ксенону з парами брому та йоду під дією електронів позитивного стовпа тліючого розряду утворюються збуджені атоми йоду, збуджені молекули йоду і брому, броміди ї йодиди ксенону, та інтергалогенїдна сполука - йодид брому. При спонтанному розпаді цих збуджених молекул і атомів йоду випромінюється спектральна лінія 206,2нм атома йоду і ультрафіолетовий котинуум в спектральному діапазоні 230-390нм, який формується на основі широких молекулярних смуг двохатомних молекул галогенів і ексиплексних молекул. Основними складовими цього континууму є: D-X (221нм) смуга молекул броміду ксенону, B-X (253нм) смуги молекул йодиду ксенону, B-X (282нм) смуги молекул броміду ксенону, B-X (289нм) смуги молекул брому, B-X (342нм) смуги молекул йоду і B-X (386нм) смуги молекул йодиду брому. Достатньо однорідний розряд запалювався в сумішах, у яких сумарний вміст молекулгалогеноносіїв 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 суміша х 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 (100-200) Па. 5 83902 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 напруга горіння розряду при середніх струмах, які знаходилися в діапазоні 5-50мА. 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 10100мА). 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 (100200) Па та розрядному струму 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 континууму є см уги: 221нм XeBr(D-X), 253нм XeI(B-X), 282нм XeBr(B-X), 289нм Br2*, 342нм I2* та 386нм IBr*. 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 (Xe*+Br2=XeBr*+Br) 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 XeBr* (2) і I2* (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 6 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 континууму. 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 1050Bт 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 206,2нм 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.F., 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. Патент на винахід та його опис. Україна. №62723, МПК (2006), H01S3/097. Бактерицидна лампа // Шуаібов O.К., Шимон Л.Л., Грабова І.A. Подано 12.05.2003; Опубл. 10.04.2007. Бюл. №4. 7с. Фіг.3. Табл.1. (Прототип). 3. Cook J.D., Leichner Р.K. Collisional and radiative excitation transfer in Kr-Xe mixtures: Emissions from the Xe(3P1) resonant level and the Xe first continuum region // Physical Review. A. 1991. V.43. №3. P.1614-1617. 4. Von C. Sonntag // "Disinfection wich UV radiation", in Process Technologies for Water Treatment, S. Stucki, Ed. New. York: Plenum Press, 1987. 5. Шуаібов O.К., Шимон Л.Л., Дащенко А.Й, Шевера І.B. Електророзрядне джерело випромінювання низького тиску на хлоридах Ar, Kr, Xe і молекулах Cl2* // Журнал фізичних досліджень. 2001. Т.5. №2. C.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 экспертмента. 2002. №1. С.104106. 7 Комп’ютерна в ерстка О.Гапоненко 83902 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601