Ультрафіолетова лампа на суміші парів брому з інертними газами

Ультрафіолетова лампа на суміші парів брому з інертними газами, яка містить систему електродів, кварцову розрядну трубку, обмежуючий опір, яка відрізняється тим, що робоча газова суміш складається із аргону, ксенону з парами брому при парціальних тисках компонентів газової суміші (800-500)/(130-60)/(100-50)Па. (19) (21) a200702257 (22) 02.03.2007 (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) US 6376972, H01J17/26, 23.04.2002 UA 200610629, H01S3/097, 15.02.2007 UA 69754, H01S3/097, 15.09.2004 UA 59261, H01S3/097, 15.08.2003 RU 2200356, H01J7/06, 61/16, 10.03.2003 3 83947 тру і не дозволяло в межах 150-300нм проводити перестроювання спектру випромінювання лампи. Задачею винаходу є розширення спектрального діапазону короткохвильового випромінювання в область вакуумного ультрафіолету, встановлення умов управління спектром випромінювання лампи в спектральному діапазоні 150-300нм шляхом зміни тиску та складу її робочого середовища та здешевлення робочого середовища лампи за рахунок використання недорогого буферного газу аргону і малої домішки більш коштовного робочого газу - ксенону. Поставлена задача досягається таким чином, що ультрафіолетова лампа на суміші парів брому з інертними газами яка містить систему електродів, кварцову розрядну трубку, обмежуючий опір, відрізняється тим, що робоча газова суміш складається із аргону, ксенону з парами брому, при цьому лампа випромінює при парціальних тисках компонент газової суміші (800-500)/(130-60)/(10050) Па відповідно і при електричній потужності тліючого розряду 5-40Вт в спектральному діапазоні 150-300нм на спектральних лініях 163,3; 157,6нм атома брому та континууму в спектральному діапазоні 170-300нм, який формується на основі спектральних смуг 221нм молекули броміду ксенону на D-X переході, 253нм йодиду ксенону на В-Х переході, 282нм молекули броміду ксенону на В-Х переході та 289нм молекули брому на В-Х переході, які в сукупності випромінюють максимальну потужність 5-7Вт при найбільшому коефіцієнті корисної дії 10% та ресурсі роботи в газостатичному режимі 500 годин. Перевагами запропонованої ультрафіолетової лампи на суміші парів брому з інертними газами над прототипом є те, що крім випромінювання смуг молекули броміду ксенону в ультрафіолетовій ділянці спектру при відповідно вибраному-складу і тиску робочої суміші, лампа випромінює і в області вакуумного ультрафіолету на переходах атома брому - спектральні лінії 157,6; 163,3нм. Відсутність довгохвильового ультрафіолетового випромінювання на ділянці 300-390нм дозволяє ефективно використовувати її як бактерицидну, оскільки основна частини її спектру випромінювання повністю потрапляє в максимуми спектру поглинання молекул ДНК [4]. Використання в якості буферного газу малокоштовного буферного газу аргону, який на порядок є менш коштовним за ксенон, при концентраціях у 5-7 разів більших за концентрацію ксенону, приводить до здешевлення робочих сумішей лампи у 5-7 разів в порівнянні з відповідною лампою на суміші ксенон-бром при незначних втратах у потужності випромінювання. Висока ефективність застосування суміші ксенон-бром в лампі зумовлена передаванням енергії від метастабільних атомів аргону атомам ксенону, які, вступаючи в реакцію Хе*+Вr2-XeBr(B,D)+Вr, приводять до утворення збуджених молекул броміду ксенону, випромінювання яких і застосовується в лампі. Широкосмугове ультрафіолетове випромінювання в спектральному діапазоні 210-290нм є перспективним для використання в спектроскопії поглинання, а розроблена лампа може розглядатися 4 як альтернативна до відомих ламп на молекулах гідрогену. На Фіг.1. наведена конструкція і система живлення короткохвильової газорозрядної лампи низького тиску. Лампа складається із металевих циліндричних електродів довжиною 15мм - 1, кварцової розрядної трубки з внутрішнім діаметром 14мм - 2. Відстань між електродами лампи становить 100мм. Тліючий розряд запалювався від 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 розрядній трубці, була з'єднана до аноду розрядної трубки. 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 середовищі пари брому шля хом запалювання тліючого розряду при максимальному розрядному струмі. Розрядна трубка вважалася підготовленою 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 наведена в працях [3]. Ультрафіолетова лампа на суміші парів брому з інертними газами працює наступним чином. У попередньо вакуумовану до тиску 5Па і попередньо пасивовану в парах брому розрядну трубку необхідно напустити суміш аргону, ксенону та парів брому при наступному співвідношенні їх парціальних тисків (800-500)Па, (130-60)Па, (50100)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 аргону і ксенону з парами брому під дією електронів позитивного стовпа тліючого розряду утворюються збуджені атоми брому, збуджені молекули брому та броміди ксенону. При спонтанному розпаді цих збуджених молекул і атомів брому випромінюється спектральні лінії 157,6, 163,3нм атома брому і ультрафіолетовий континуум в спектральному діапазоні 180-300нм, який формується на основі широких молекулярних смуг молекул брому і молекул броміду ксенону. Основними складовими цього континуум у є: D-Х (221нм) смуги молекул броміду ксенону, В-Х (282нм) смуги молекул броміду ксенону та В-Х (289нм) смуги молекул брому. Просторово однорідний повздовжній розряд запалювався в газових середовищах, у яких сумарний вміст молекул-брому не переважав 700Па при сумарному тиску газової суміші меншому за 1500-2000Па. При струмах розряду, були меншими за 30мА, тліючий розряд існував у формі циліндра діаметром 2-6мм, а при збільшенні розрядно 5 83947 го струм у до 50-100мА центральна частина розряду збільшувався за діаметром до 10-12мм. Вольт-амперні характеристики тліючого розряду, який збуджував короткохвильову лампу, на суміші аргон-ксенон-бром при їхні х різних складах і тисках суміші наведено на Фіг.2. Перша крива на Фіг.2 відповідає вольт-амперній характеристиці тліючого розряду на суміші аргон-ксенон-бром при парціальних тисках відповідно 530-80-80 (крива 1) і 800-40-80Па (крива 2). При помірному парціальному тиску прів брому в розрядній трубці піднормальний режим горіння тліючого розряду спостерігався при струмах 520мА, при більших струмах (30-60мА) розряд переходив у нормальний режим горіння. Потенціал запалювання розряду у сумішах, що досліджувалися, знаходився у діапазоні 720-770В, а напруга горіння розряду в нормальному режимі знаходилася в межах 550-570В. Для тліючого розряду на суміші гелій-бром з складом компонент 530-240Па потенціали запалювання і горіння були значно вищими і складали відповідно 1100В та 950-1000В. Найбільш чутливими були ці параметри розряду до парціального тиску парів брому в робочій суміші. Так при збільшенні тиску брому з 240Па до 400Па (при парціальному тиску гелію - 530Па) вони збільшувалися відповідно до 1400В і 1100В. Це дозволяло збільшити енергетичний внесок в плазму лампи на суміші гелій-бром приблизно в 1,5 рази, але в ній відсутні ексиплескноформуючі гази типу ксенону. Тому такі лампи випромінюють лише на переходах атомів та молекул брому і є чисто галогенними. Спектри випромінювання ультрафіолетової лампи на суміші парів брому з інертними газами наведені на Фіг.3 і Фіг.4. На Фіг.3 приведені спектри випромінювання лампи на суміші аргон-ксенон-бром, яка має склад 530-80-80Па, а на Фіг.4 для складу суміші - 800-40-80Па. Спектральні характеристики лампи реєструвалися з врахуванням відносної спектральної чутливості вакуумного спектрометра і наведені на Фіг.2 при середньому струмі розряду через лампу 30мА. Збільшення парціального тиску парів брому за межі 100Па приводило значного зменшення інтенсивності випромінювання спектральних ліній атома брому 163,3; 157,6нм. Тому парціальний тиск парів брому був вибраний на рівні 60-130 Па, що близько до оптимального для утворення ексиплексних молекул - броміду ксенону та збудження атомів брому. Основний внесок у потужність випромінювання ультрафіолетової лампи дають широкі смуги випромінювання молекул броміду ксенону з максимумами при 282нм і 220нм, які потрапляють у смугу поглинання молекул ДНК [4], що дозволить використати лампу в якості бактерицидної. Оптимальне співвідношення між парціальними тисками аргону та ксенону в лампі знаходиться в межах (60-40)-(3-6) відн. од.. На Фіг.5 наведені залежності амплітуди смуги та інтенсивності спектральних ліній атома брому від електричної потужності розряду: спектральної лінії атома брому - 163,3нм (на Фіг.4 - крива 1) та 6 молекулярних смуг 282нм і 220нм (на Фіг.4 це відповідно криві 2 та 3) броміду ксенону. При збільшенні потужності, яка вноситься в розряд, спостерігається приблизно лінійне збільшення інтенсивності випромінювання атомів брому і молекул броміду ксенону. Це вказує на відсутність перегріву лампи при таких енергетичних внесках у плазму і природному повітряному охолодженні. При тисках парів брому вищи х за 100-150Па і середніх струмах тліючого розряду в лампі проявляється нестійкість. Так при живленні розряду постійною напругою спостерігалась часткова самомодуляція струму розряду і випромінювання лампи. При цьому, на фоні постійної складової струму і випромінювання, спостерігалися імпульси тривалість приблизно у 10мкс. Аргон в потрійній робочій суміші відіграє роль внутрішнього джерела енергії, оскільки в суміші аргону з ксеноном відбувається ефективне передавання енергії від метастабільних атомів і димерів аргону атомам ксенону. Ці збуджені у метастабільні стани атоми ксенону в результаті "гарпунної" реакції (Хе*+Вr2=XeBr*+Вr) є основним джерелом утворення ексиплексних молекул - броміду ксенону в плазмі лампи. Для одержання максимальної потужності ультрафіолетової лампи на суміші парів брому з інертними газами - аргоном і криптоном оптимальний її склад повинен знаходитися в наступних межах: (500-800)-(40-130)-(50-100)Па. Максимальна ефективність випромінювання лампи спостерігалась при електричній потужності тліючого розряду, яка знаходилася в діапазоні 1050Вт і напрузі горіння розряду меншій за 600В. Коефіцієнт корисної дії лампи досягав 10-12%. Найвища потужність ультрафіолетового випромінювання лампи знаходилась в діапазоні 5-7Вт. Ресурс роботи лампи в газостатичному режимі досягав 400-500 годин. Ультрафіолетова лампа на суміші парів брому з інертними газами яка випромінює спектральні лінії атома брому та смуги броміду ксенону і молекули брому, може використовува тися в мікроелектроніці, хімії високих енергій, біофізиці, 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 В1. 2. 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. 2002. Vol.4747. P.390-398. (Прототип). 3. Шуаібов O.K., Шимон Л.Л., Дащенко А.И, Шевера І.В. Електророзрядне джерело випромінювання низького тиску на хлоридах Аr, Кr, Хе і молекулах Сl2* // Журнал фізичних досліджень. 2001. Т.5. №2. C.131-138. 4. Von С. Sonntag // "Disinfection wich UV radiation", in Process Technologies for Water Treatment, S. Stucki, Ed New. York: Plenum Press, 1987. 7 Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 83947 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