Імпульсно-періодична ексимерно-галогенна лампа

Імпульсно-періодична ексимерно-галогенна лампа низького тиску, яка містить систему електродів, розрядну трубку, зарядний опір, джерело сталої напруги та робоче газове середовище, яка відрізняється тим, що як робоче газове середовище використовують хлор або суміш криптон/хлор при оптимальних складах газового середовища, а саме при значеннях парціального тиску хлору рівному 80-120 Па та значенні парціального тиску криптону рівному 500-700 Па, при цьому основними робочими хвилями випромінювання лампи служить суперпозиція потовщених молекулярних смуг, а саме на довжині хвилі 222 нм молекулярна смуга хлориду криптону (КгСІ), при довжині хвилі 195-200 нм молекулярна смуга хлору СЬ на ^ Е - Г Ц І переході, а також молекулярна аВинахід відноситься до фізики низькотемпературної плазми, світлотехніки та може застосовуватись в мікроелектроніці, полімерній хімії, бютехнолопях і медицині Відома імпульсно-періодична лампа на хлоридах інертних газів, яка випромінює на довжинах хвиль 308нм хлориду ксенону (ХеСІ), 222нм хлориду криптону (КгСІ), при формуванні активного середовища на основі плазми імпульсного об'ємного розряду [1] Але отримання розряду в лампі відбувалось з використанням імпульсноперіодичного джерела високої напруги, в якому застосовували сильнострумові комутатори (тиратрони або газові розрядники високого тиску) з обмеженим ресурсом роботи Плазма електричного розряду контактувала з скляною стінкою розрядної трубки, що приводило до зв'язування галогенмістких сполук нагрітим склом та, внаслідок цього, до значного зменшення ресурсу випромінювання ексимерної лампи 12мА, яке містить систему електродів, розрядну камеру, зарядний опір, джерело сталої напруги та робоче газове середовище на основі газових сумішей ксенон/хлор і ксенон/хлорид водню при тисках менших за 2 ОкПа [2] В даній лампі контакт розрядної плазми з склом відсутній, оскільки вивід короткохвильового випромінювання плазми здійснювався через сітковий електрод з прозорістю 70% та кварцове віконце, встановлене за ним Дані про режим протікання струму і динаміку випромінювання плазми в роботі [2] не наводяться Спектральні характеристики даного джерела також не досліджували (ймовірно, що основний внесок в спектр випромінювання плазми дає система смуг 308нм ХеСІ(ВХ/236нмХеСІ(О-Х)) Завданням винаходу є розробка безкомутаторної імпульсно-періодичної, ексимерно-галогенної лампи низького тиску, в якій відсутній контакт скляної оболонки з плазмою і яка випромінює в області бактерицидного ультрафіолету (160220нм) Поставлене завдання досягається таким чином, що імпульсно-періодична ексимерно Найбільш близькою до запропонованої ексимерно-галогенної лампи є планарне джерело спонтанного випромінювання з накачуванням коротким об'ємним розрядом при струмові меншому за смуга молекули СЬ на (D'-A1) переході, причому імпульсно-періодичний режим роботи лампи досягається за рахунок розвитку прилипальної нестійкості плазми, а максимальна потужність ультрафіолетового та вакуумно-ультрафіолетового випромінювання (W) становить 2,0-3,0 Вт, яка досягається при середніх значеннях розрядного струму рівному 25-35 мА при коефіцієнті корисної дм в діапазоні 10-12 % 1 ю ю 55724 галогенна лампа низького тиску, що містить систему електродів, розрядну трубку, зарядний опір, джерело сталої напруги та робоче газове середовище, яка відрізняється тим, що в якості робочого газового середовища використовують хлор або суміш криптон/хлор при оптимальних складах газового середовища, а саме при значеннях парціального тиску хлору рівному 80-120Па та значенні парціального тиску криптону рівному 500-700Па, при цьому, основними робочими хвилями випромінювання лампи служить суперпозиція потовщених молекулярних смуг, а саме на довжині хвилі 222нм молекулярна смуга хлориду криптону (КгСІ), при довжині хвилі 195-200нм молекулярна смуга хлору СЬ на (1Е-ГЦ) переході, а також молекулярна смуга молекули СЬ на (D'-A') переході, причому імпульсно-періодичний режим роботи лампи досягається за рахунок розвитку прилипальної нестійкості плазми, а максимальна потужність ультрафіолетового та вакуумно-ультрафіолетового випромінювання (W) становить 2 0-3 ОВт, яка досягається при середніх значеннях розрядного струму рівному 25-35мА при коефіцієнті корисної дм в діапазоні 10-12% Перевагами запропонованої ексимерногалогенної лампи низького тиску над прототипом є розширення спектрального діапазону роботи до 170нм, збільшення середніх струмів розряду до 50мА, отримання коротких світлових імпульсів коли роль комутатора виконує сама плазма короткого тліючого розряду, збільшення робочої апертури лампи за рахунок виводу випромінювання через бічну поверхню циліндричної форми (кварцову трубу) На фіг 1 наведена конструкція та схема запалювання тліючого розряду в ексимерно-галогенній лампі низького тиску, де 1-від'ємне катодне свічення (ВКС), 2-темний катодний простір (ТКП), 3позитивний стовп тліючого розряду (ПСТР), 4анодне свічення (АС), А-анод, К-катод, RQбаластний опір, ДСН-джерело сталої напруги, Соімпульсний конденсатор і КТ-кварцова трубка Система електродів випромінювача "сферичний анод-плоский катод" була виготовлена з дюралюмінію і встановлювалась в циліндричну кварцову трубу з внутрішнім діаметром 7см Радіус заокруглення робочої поверхні аноду складав Зсм, а його діаметр-7см Міжелектродна віддаль була рівною 6см Постійна напруга додатної полярності величиною UCII^IKB подавалась на анод через баластний опір R6=20KOM Середній розрядний струм змінювався в діапазоні 2 - 50мА, а тиск газових сумішей не перевищував 1 ОкПа Імпульсно-періодична ексимерно-галогенна лампа діє наступним чином у попередньо відкачану до тиску 10 2-10 3 Па розрядну трубку з системою електродів напускали хлор або суміш Кг/СЬ На анод розрядної трубки необхідно подати сталу напругу додатної полярності величиною UCh^1 ОкВ, в результаті чого між електродами запалювався об'ємний тліючий розряд В електровід'ємному газовому середовищі (кисні, галогенмістких молекулах та інших подібних сполуках) за рахунок порушення балансу між процесами прилипання електронів до електронегативних молекул і їх відлипання відбувається формування прилипаль ної нестійкості плазми, що проявляється в імпульсно-періодичному режимі протікання струму та випромінювання плазми [3] Плазмоутворення, що формуються в розрядному проміжкові називаються доменами або автосолітонами Ексимерні молекули (КгСІ) утворюються в позитивному стовпі (фіг 1 ) домена за рахунок рекомбінації ІОНІВ інертного газу t > та ІОНІВ ^ І і "гарпунної реакції" (Кг*+СІ2^КгСІ(В)+СІ), а потім спонтанно розпадаються з випромінюванням смуги 222нм КгСІ(В-Х) В плазмі на основі чистого хлору відбувається рекомбінація ІОНІВ СІ | СІ з утворенням молекул CbfD') та СЬ**, які розпадаються з випромінюванням смуг з довжинами хвиль X рівними 257 і 200 нм Робочою поверхнею лампи служила бічна поверхня циліндричної кварцової трубки Найбільший об'єм доменів був отриманий при низьких тисках хлору та суміші криптон/хлор (менших за 150Па) Домен мав поперечний переріз трапецеїдальної форми Менша основа трапеції знаходилась в області інтенсивного анодного свічення (фіг 1 ) діаметром 7 мм і була в 1 5-2 0 рази менша від більшої (прикатодної) основи трапеції Діаметр від'ємного катодного свічення на 30-50% переважав величину прикатодного діаметру домена Темний простір збільшувався з 0 5 до 7 0мм при збільшенні тиску хлору чи суміші Кг/СЬ від 40 до ЮООПа При підвищенні тиску газового середовища відбувалось значне (в 5-10 разів) зменшення об'єму плазмоутворення Статичні вольт-амперні характеристики розряду, які відтворювали залежність усередненої в часі напруги на системі електродів від величини середнього струму, відповідали піднормальній (lCh-1ЗОмА) та нормальній стадії тліючого розряду Середня напруга запалювання об'ємного розряду на суміші Р(Кг)/Р(СЬ) з парціальними тисками складових 500/120 Па досягала 950-1000В При збільшенні середнього струму до ЗОмА вона зменшувалась до 730В і при подальшому збільшенні величини Ich до 50мА, зменшувалась до 700В Іншу форму мала залежність між миттєвими значеннями напруги (U) та струму (І), отриманими з ВІДПОВІДНИХ осцилограм - так звана динамічна вольтамперна характеристика, (фіг 2 , де 1-суміш криптону з хлором при парціальних тисках рівних 640/120Па і 2-суміш при парціальних тисках 160/200Па) для розряду на суміші Р(Кг)/Р(СІ2) В початкові моменти часу з ростом струму спостерігалось і значне збільшення напруги на проміжкові, що відповідає аномальній стадії тліючого розряду При цьому, відбувається формування домена При зменшенні парціального тиску криптону о 100150Па спостерігалося зменшення величини U і зміщення точки перегину в область менших розрядних струмів Після закінчення формування домена на вольт-амперній характеристиці утворюється ділянка з від'ємним нахилом, що вказує на прояв нестійкості [4, 5] Зменшення Р(Кг) в суміші криптон/хлор приводило до зростання нахилу цієї ділянки вольт-амперної характеристики, що вказувало на збільшення швидкості розвитку нестійкості об'ємного розряду Типовий спектр випромінювання плазми на суміші криптон/хлор з парціальними тисками крип 55724 тону та хлору рівними ВІДПОВІДНО 500 і 120 Па наведено на фіг 3 Ексимерно-галогенна лампа випромінює одну широку смугу, сформовану на основі смуг з довжинами хвиль рівними 222нм КгСІ(В-Х), (195-200)нм CI2('S-n4) та 257нм CI2(D'А') В розряді на чистому хлорі спостерігались лише смуги молекулярного хлору з максимумами при 195-200 і 257нм Ці смуги перекривали спектральну ділянку 170-270нм, яка включала майже всю ділянку бактерицидного ультрафіолету (170220нм) Незавершеність процесів коливальної релаксації в межах В, D і S станів молекул КгСІ та СІ2 при низьких тисках газових сумішей є основною причиною формування широкосмугового спектру випромінювання лампи Оптимальний для лампи парціальний тиск хлору та криптону знаходився ВІДПОВІДНО в межах 80-120Па і 50-700Па Збільшення середнього струму розряду з 5 до 25мА призводило до зростання частоти повторення імпульсів з 0 1 до 23кГц При подальшому зростанні величина частоти проходила максимум і зменшувалась Динаміка зміни напруги на системі електродів, розрядного струму та сумарного в спектральній області 200-700нм випромінювання плазми наведено на фіг 4а і фіг 46 (де осцилограми розряду в суміші Р(Кг)/Р(СІ2) з парціальними складами 160/120 Па (фіг 4)та640/120Па (фіг 5) Розряд існує без постійної складової струму та випромінювання плазми Імпульс струму формується під час переднього фронту імпульсу напруги Амплітуда імпульсів напруги досягала 7кВ, а струму-2А Імпульс випромінювання розряду на фіг 4, 5 (який подано при двох різних розгортках осцилографа 100 нс/см (3) та 1 мкс/см (З1)) мав два максимуми Основний максимум випромінювання тривалістю 8-12 мкс знаходився в області післясвічення розряду і зумовлений рекомбінаційними механізмами утворення молекул КгСІ (В) і а 2** Яскравість випромінювання смуг 200нм СІ2** (фіг 6 крива 2) і 222нм КгСІ(В-Х) (фігб крива 1) в розряді на суміші Р(Кг)/Р(СІ2) дорівнює 480/120 Па ЛІНІЙНО зростала при збільшенні середнього струму розряду з 1 до ЗОмА, а при більшому струмі вона виходила на плато Такий вид кривих на фіг 6 зумовлений специфічним характером залежності частоти повторення імпульсів струму від середнього розрядного струму та нагріванням газової суміші і електродів лампи при Іси>30мА В діапазоні середніх розрядних струмів 5-20мА лампа могла неперервно працювати не менше 810 годин з сталою в часі середньою потужністю випромінювання 3 Вт і ККД не нижчим за 10-12% при ПОВІЛЬНІЙ заміні робочої суміші з швидкістю 0 1-0 Злітра за хвилину Ексимерно-галогенна імпульсно-періодична лампа з робочим спектральним діапазоном 170270 нм може застосуватись в мікроелектроніці, полімерній хімії, бютехнолопяхта медицині Джерела інформації 1 Скакун В С , Тарасенко В Ф , Фомин Е А , Кузнецов А А Ультрафиолетовые и вакуумноультрафиолетовые эксилампы с накачкой барьерным разрядом // Журн техн физ 1994 Т 64, вып 10 С 146-150 2 Соснин Є А , Тарасенко В Ф Планарная ХеСІ эксилампа с накачкой тлеющим разрядом низкого давления // Журн техн физ 1997 Т 67 №12 С 43-46-прототип 3 Александров Н Л , Напартович А П Процессы в газе и плазме с отрицательными ионами // Усп физ наук 1993 Т163 №3 с 1-26 4 Голубев В С , Пашкин С В Тлеющий разряд повышенного давления М Наука 1990 334 с 5 Александров Н Л , Кочетов И В , Мазалов ДА, Напартович А П и др Электронные коэффициенты переноса и динамика прилипательной неустойчивости в плазме газового разряда // Физика плазмы 1992 Т18 вып 11 с 1468-1475 55724 U;KB 222ннКгСІ(В-Х) 257нмС1г(О'-А') 180 200 220 240 260 R M Фіг. З 00 0,2 0,4 0,6 0,0 0,2 0,4 0,6 1,0 0,8 1,0 0, "" ' ОД 0,0 0,2 0,4 0,4 0,5 0,6 0,8 0,8 1,0 1,0 t, МКС Фіг. 4 І, t, МКС Фіг.5 55724 10 J, В1ДН ОД. ФІГ.6 Підписано до друку 05 05 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24