Ексиплексно-галогенна короткохвильова високочастотна лампа

УКРАЇНА (19) UA (11) 30946 (13) U (51) МПК (2006) H01S 03/097 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС видається під відповідальність власника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) ЕКСИПЛЕКСНО-ГАЛОГЕННА КОРОТКОХВИЛЬОВА ВИСОКОЧАСТОТНА ЛАМПА 1 який запалюється в газовій суміші аргон-хлор при оптимальному парціальному складі робочого середовища, а саме при значенні парціального тиску хлору, що дорівнює 30-40 Па, значенні парціального тиску аргону, що дорівнює 300-400 Па, при цьому основними робочими хвилями випромінювання лампи є система широких молекулярних смуг, а саме при довжині хвилі 175 нм молекулярна смуга хлориду аргону на (В-Х) переході, при довжині хвилі 200 нм молекулярна ( ) смуга хлору Сl2** на переході 1 å - Õ 4 , при довжині хвилі 257 нм молекули хлору С12 на (D'-A') переході, які в сукупності перекривають спектральний діапазон 150-270 нм, а її максимальна потужність ультрафіолетового і вакуумно-ультрафіолетового випромінювання W складає 10-15 Вт при коефіцієнті корисної дії 10-15 %. (11) UA смузі з максимумом при 308нм В-Х переходу молекули хлориду ксенону на рівні 1Вт. Оптимальною для роботи лампи була суміш ксенону з хлором при складі відповідно 0.090.01мм рт. ст. Оскільки ця лампа мала циліндричну робочу апертуру, то її неможливо застосувати для рівномірного опромінення плоских поверхонь. Крім того, використання слабострумового високочастотного розряду обмежує вихідні енергетичні характеристики лампи. Оскільки лампа випромінює переважно на смузі 308нм молекули хлориду ксенону, то її не можливо застосувати як бактерицидну. Це зумовлено тим, що основні смуги поглинання молекул ДНК знаходяться в околі довжин хвиль 260 та 200нм [3]. Крім того, робоча суміш на основі ксенону є коштовною. В сильнострумовому поперечному розряді високої частоти при тисках робочої суміші на основі електровід'ємних молекул плазма складається переважно з приелектродних шарів, які характеризуються підвищеною яскравістю в порівнянні з плазмою позитивного стовпа (19) Корисна модель відноситься до фізики низькотемпературної' плазми і світлотехніки та може застосовуватися у мікроелектроніці, фотохімії, фотометрії та фотомедицині. Відома ексиплексна лампа із збудженням робочої суміші на основі криптону з хлором в бар'єрному розряді при тисках менших або рівних 27кПа [1]. Робоча апертура лампи була циліндричною, ширина смуги випромінювання молекули КrСl на В-Х переході з довжиною хвилі 222нм, була рівна 5нм, а частота повторення імпульсів не переважала 100кГц. Короткохвильова межа роботи цієї лампи не переважала 220нм, а її робоча суміш на основі криптону була досить коштовною. Найбільш близькою до запропонованої ексиплексно-галогенної короткохвильової високочастотної лампи є лампа на основі суміші ксенону з хлором, яка збуджується у слабострумовому високочастотному розряді індукційного типу з частотою повторення 13.56МГц [2]. Ця лампа мала циліндричну робочу апертуру і випромінювала сумарну середню потужність на 30946 (13) U (21) u200706612 (22) 13.06.2007 (24) 25.03.2008 (46) 30.12.1899, Бюл.№ , 1899 р. (72) ШУАІБОВ ОЛЕКСАНДР КАМІЛОВИЧ, UA, ШИМОН ЛЮДВІК ЛЮДВІКОВИЧ, UA, ШЕВЕРА ІГОР ВАСИЛЬОВИЧ, UA (73) УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA (56) (57) Ексиплексно-галогенна короткохвильова високочастотна лампа, яка містить систему електродів, розрядну трубку, зарядний опір, джерело високої постійної напруги та робочу газову суміш інертного газу з молекулами хлору, яка відрізняється тим, що для формування плазми, що випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектра, використано сильнострумовий поперечний високочастотний розряд з оголеними електродами і двома планарними апертурами, 2 3 повздовжнього тліючого розряду. Раніше нами була виявлена висока ефективність і потужність випромінювання ексиплексно-галогенних високочастотних джерел ультрафіолетового випромінювання, які працюють на сумішах гелійхлор [4] та ксенон-хлор [5]. Виходячи з цього, для короткохвильової області довжин хвиль, яка охоплює бактерицидну ділянку спектру 200-300нм, перспективним може бути розроблення лампи на суміші аргону з хлором, що збуджується поперечним високочастотним розрядом. Задачею корисної моделі є створення ексиплексно-галогенної лампи із збудженням поперечним високочастотним розрядом, яка б мала дві плоскі робочі апертури, а спектр випромінювання якої повністю потрапляв би у смугу поглинання молекули ДНК, що є важливою передумовою високої бактерицидної ефективності лампи. Поставлена задача досягається таким чином, що ексиплексно-галогенна короткохвильова високочастотна лампа, яка містить систему електродів, розрядну трубку, блокуючу ємність, джерело високочастотної напруги та робочу газову суміш інертного газу з молекулами хлору, відрізняється тим, що для формування плазми, що випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектру використано сильнострумовий поперечний високочастотний розряд з оголеними електродами і двома планарними апертурами, який запалюється в газовій суміші аргон-хлор при оптимальному парціальному складі робочого середовища, а саме при значенні парціального тиску хлору рівному 30-40Па, значенні парціального тиску аргону рівному 300-400Па, при цьому основними робочими хвилями випромінювання лампи є система широких молекулярних смуг, а саме при довжині хвилі 175нм молекулярна смуга хлориду аргону АrСl на (В-Х) переході, при довжині хвилі 200нм молекулярна смуга хлору Сl** на переході (1å-П4), при довжині хвилі 257нм молекули хлору Сl2 на (D'-A') переході, які в сукупності перекривають спектральний діапазон 150-270нм, а її максимальна потужність ультрафіолетового та вакуумно-ультрафіолетового випромінювання складає 10-15Вт при коефіцієнті корисної дії 1015%. Перевагами запропонованої ексиплексногалогенної короткохвильової високочастотної лампи над прототипом є наявність двох плоских апертур загальною площею 100см, неперервне перекриття спектрального діапазону 150-270нм потужним випромінюванням, яке повністю потрапляє у смугу поглинання молекули ДІЖ. Робоче середовище лампи не містить коштовних інертних газів типу криптону чи ксенону, що дозволяє працювати в режимі повільної заміни робочої суміші. Розроблена лампа представляє інтерес для очищення поверхонь предметів, інфікованих хвороботворними бактеріями, поверхні води, очищенні поверхні заготовок для плоских елементів інтегрованих пристроїв мікроелектроніки. 30946 4 На фіг.1. наведена конструкція і схема живлення ексиплексно-галогенної короткохвильової високочастотної лампи. Лампа складається з металевих електродів (1), розрядної трубки з кварцу (3), у якої внутрішній діаметр дорівнює 10см, а довжина рівна 20см. Розряд в лампі запалювався з допомогою модульованого за амплітудою джерела високочастотної напруги (ДВЧН) з середньою потужністю 300Вт (4). Воно генерувало макроімпульси напруги амплітудою до 5кВ і тривалістю рівною 12мс, які були заповнені високочастотною складовою з частотою f, яка дорівнювала 1.76МГц. Для виключення можливості проходження в колі збудження лампи постійного струму, подання високочастотної напруги на електрод здійснювалося через блокуючий конденсатор Со з ємністю рівною 200пФ. Одним з електродів був масивний нікельований електрод з радіусом заокруглення робочої поверхні З см і площею основи 6 x 17см2 (1), а інший електрод було виготовлено з нікелевої пластини і він був плоским. Поперечний високочастотний розряд запалювався в об'ємі 17.0 x 3.0 x 2,2см3 (де d=2.2см - міжелектродна віддаль). В залежності від тиску та парціального складу суміші Хе-Сl2 об'єм плазми приелектродних шарів (2) складав 50-70% від загального об'єму плазмового середовища. Як робочі використано дві поперечні бічні апертури плазмового середовища площею d x l (де 1 - довжина електродів поперечного високочастотного розряду). Площа кожної з апертур складала по 50см2. Ексиплексно-галогенна короткохвильова високочастотна лампа працює наступним чином. У відкачану до залишкового тиску 10-1-10-3Па кварцову трубку напускають робочу газову суміш Аr-Сl2. На масивний металевий електрод (1) через блокуючу ємність Со необхідно подати високочастотну напругу амплітудою 5кВ. При цьому між електродами запалюється високочастотний поперечний розряд. В плазмі на суміші Аr-С12 під дією електронів розряду утворюються збуджені атоми Аr, Сl та іони Сl-, Аr+. В результаті «гарпунних» реакцій Ar*+Cl2®ArCl(B,C,D)+Cl і Cl*+C12®C12(D')+C1 в плазмі утворюються збуджені молекули хлориду аргону та хлору. При спонтанному розпаді цих молекул випромінюються широкі смуги 175нм ArCl(D-X), 200нм Сl2(1å-П4), та смуга 257нм C12(D'A'). Спектр випромінювання ексиплексногалогенної короткохвильової високочастотної лампи при парціальних тисках аргону і хлору рівних 80Па наведено на фіг. 2. Основний внесок в широкосмугове ультрафіолетове і вакуумноультрафіолетове випромінювання дають смуги молекули хлору з максимумом при 256нм та 200нм. Вони перекриваються між собою та з смугою молекули хлориду аргону з максимумом при 175нм. При збільшенні парціального тиску аргону до 400Па збільшувалась яскравість усіх смуг випромінювання, а на ділянці спектру в околі довжини хвилі 175нм чітко проявлявся максимум 5 смуги випромінювання молекули хлориду аргону на її В-X переході. Оскільки електронно-коливальна релаксація в межах збуджених електронних станів молекул хлору та хлориду аргону має при малих тисках низьку швидкість, то всі електронно-коливальні смуги випромінювання молекул хлору і хлориду аргону формують єдиний континуум в спектральному діапазоні 150-270нм. На фіг. 3. представлені залежності середньої потужності короткохвильового випромінювання лампи для сумішей різного складу і тиску від величини потужності на виході високочастотного джерела збудження розряду. Кожна крива на фіг. 3. реєструвалась для розряду на свіжоприготовленій суміші Аr-Сl2 за час менший ніж 5 хвилин, що виключало вплив ресурсу роботи лампи на одержані залежності. На фіг. 3. наведено результати оптимізації енергетичних характеристик лампи, яка працювала на наступних сумішах: Р(Аr)-Р(С12)=80-40 (1), 200/40 (2), 400-40 (3), 320-40 (4), 200-80 (5) і 200-160Па (6). Оптимальне значення парціального тиску хлору складало 30-40Па. Збільшення потужності на виході джерела збудження високочастотного розряду приводило до майже пропорційного зростання потужності випромінювання лампи. На фіг. 4. наведена залежність потужності випромінювання лампи від величини парцільного тиску аргону при парціальному тиску хлору рівному 40Па. Як випливає з фіг. 4., оптимальна величина парціального тиску аргону в лампі рівна 400Па. Часові характеристики високочастотної напруги на розрядному проміжкові, струму і випромінювання плазми високочастотного розряду в суміші Р(Аr)-Р(Сl2) з складами 80-80Па (штриховані криві) та 400-80Па наведені на фіг. 5. Величина амплітуди півхвилі високочастотного коливання напруги при збільшенні парціального тиску аргону з 100 до 400Па збільшувалась з 3 до 5кВ. Амплітуда струму при цьому зростала з 1.2 до 2.0А. У поперечному високочастотному розряді на суміші Аr-Сl2 при тисках менших 150Па напруга і струм були зміщені по фазі. При збільшенням тиску суміші до 400-500Па це зміщення зменшувалось практично до нуля. Випромінювання плазми характеризувалося невеликою постійною складовою (меншою від 30% амплітудного значення) та змінною складовою. Частота повторення змінної складової була в два рази вищою в порівнянні з частотою напруги джерела живлення розряду. Максимуми випромінювання лампи корелювалися в часі з ділянками спаду та збільшення напруги і струму розряду в близьких до оптимальних робочих сумішах. Область спектральної чутливості системи реєстрації імпульсного випромінювання була обмежена з короткохвильової ділянки на рівні 230нм, тому основною в імпульсному випромінюванні розряду була смуга молекули хлору 257нм. Наявність постійної складової випромінювання може бути викликана накопиченням в плазмі метастабільних атомів хлору, при взаємодії яких із молекулами хлору у 30946 6 основному стані утворюються молекули хлору в D' стані. Останні ж розпадаються з випромінюванням смуги 257нм. Часові характеристики поперечного високочастотного розряду, усереднені за період високочастотних коливань в сумішах аргону та хлору з складом 80-80Па (а) і 400-80Па (б, в, г) наведені на фіг. 6. Для високочастотного розряду в робочих сумішах при парціальних тисках аргону менших 200Па і хлору менших 80Па на передньому фронті оптичного макроімпульсу (кр. 1 та 1'; кр. 2 і 2' - це постійні складові випромінювання) спостерігався один вузький пік випромінювання. При збільшенні парціального тиску аргону до 400Па кількість вузьких максимумів випромінювання зростала до двох, в області заднього фронту у всіх випадках спостерігався один слабо виражений максимум. Ці короткі спалахи випромінювання викликані утворенням стрибків густини електронів, негативних та позитивних іонів на межі «плазмаприелектродний шар» поперечного високочастотного розряду [6]. На передньому фронті макроімпульсів випромінювання стрибки параметрів плазми проявлялися в межах часового інтервалу 1.7-2.5мс, коли відбувається пробій розрядного проміжку. Вершина макроімпульсу випромінювання лампи мала слабо спадаючий в часі вигляд, що зумовлено нагріванням робочої газової суміші під час проходження високочастотного струму. Повна потужність короткохвильового випромінювання з двох плоских апертур лампи досягала 10-15Вт при коефіцієнті корисної дії 10-15%. Ексиплексно-галогенна короткохвильова високочастотна лампа для області довжин хвиль Δl рівної 150-270нм може застосовуватися в якості бактерицидної, а також в хімії високих енергій, біофізиці, екології, фотомедицині та мікроелектроніці. Джерела інформації: 1. Ломаев М.И., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В. Мощная и эффективная KrCl эксилампа барьерного разряда //Письма ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 1. С.74-80. 2. Головицкий А.П. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления в смеси инертных газов и галогенов для экономичных безртутных люминисцентных источников //Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып.6. С.63-67. (прототип). 3. Von С. Sonntag //"Disinfection wich UV radiation", in Process Technologies for Water Treatment, S. Stucki, Ed. New. York: Plenum Press, 1987. 4. Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И.В. Эмиссионные характеристики плазмы низкой плотности на основе смесей гелий-хлор[ //Оптика и спектроскопия. 2004. Т.97. №1 С.10-13. 5. Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И.В. Характеристики поперечного высокочастотного разряда на смеси ксенона с хлором //Физика плазмы. 2004. Т.30. №5 С.475-480. 7 6. Каганович И.Д //Высокочастотный разряд с отрицательными ионами при средних давлениях. Физика плазмы. 1995. Т.21. №5. С.434-441. 30946 8 9 30946 10