Селективне джерело ультрафіолетового випромінювання

1. Селективне джерело ультрафіолетового випромінювання, яке включає систему електродів, розрядну камеру високого тиску, спонтанний випромінювач, блок живлення, обмежуючий опір і вакуумну газозмішувальну систему, яке відрізняється тим, що як електроди встановлені електроди біполярного коронного розряду, причому один з електродів (катод) виконаний у вигляді металевої сітки з прозорістю 50-70%, а другий електрод (анод) виконаний у вигляді рядів металевих голок з радіусом заокруглення 0,1-0,5 мм, а віддаль між сусідніми голками ряду L та величина міжелектродного проміжку a знаходяться у співвідношенні L£1/2a. 33018 кількості тонких, випромінюючих ниток-стримерів, які однорідно заповнюють всю розрядну зону. В КР на сумішах типу гелій/R/хлористий водень основне випромінювання плазми КР належить смугам R CI*(B-X): 308 нм XeCI*, 222 нм КrСІ*, 175 нм АrСІ*, де XeCI*, KrCI*, ArCI* - високозбуджені ексимерні молекули. Дані смуги випромінювання за рахунок швидкої коливної релаксації високозбуджених ексимерних молекул (в межах В-стану R Х*) під дією атомів гелію, характеризуються шириною на рівні Δl=2-3 нм, що на порядок нижче, ніж в ексимерних лампах малого або середнього тиску. Вони є практично єдиними смутами випромінювання даного КР в усій ультрафіолетовій області спектру. Форма поперечного перерізу свічення плазми залежить від способів виводу випромінюванням кількості рядів з голками та геометричних розмірів системи електродів. Так, в малогабаритних джерелах УФ випромінювання поперечний переріз розряду змінюється від трикутного (один ряд голок) до квадратного (три ряди голок) при висоті piвностороннього трикутника і відповідно довжині сторони квадрата - 2 с. На фіг. 1 наведена конструкція селективного джерела УФ випромінювання на основі біполярного коронного розряду. Розрядний пристрій складається з розрядної камери 1, діелектричного фланця 2, рядів з голками 3, металевої сітки 4, платформи і держаків електродів 5, 6, високовольтного випрямлювача 7. Ряди голок з нержавіючої сталі мають радіуси заокруглення кінців 0,1-0,5 мм. Кількість рядів становить 1-5. Довжина одного ряду становить 12 см. Кількість голок в ряду - 11. Катодом 2 служить нікелева сітка з розмірами комірки 1х1 мм2 і прозорістю 50%. Міжелектродна відстань регулюється в межах 1-4 см. Розрядна камера виготовлена з нержавіючої труби діаметром 20 см і висотою 15 см і розрахована на тиск до 10 атм. Камера обладнана кварцовими віконцями в кількості 4 шт., які встановлені попарно у взаємоперпендикулярних напрямках. Вакуумна газозмішувальна система складається з механічних систем відкачування газів, балонів з газами і вимірювальних приладів. Система дозволяє відкачувати камеру до 0,001 пА та готувати суміш з 2-5 газів. Величина обмежуючого опору КР становить 2-3 Мом, що дозволяє на сумішах типу гелій/R/хлористий водень одержувати “додатні” вольт-амперні характеристики і стабільний просторово-однорідний розряд. Джерелом живлення КР служить однопівперіодний випрямлювач на 10 кВ, розрахований на струми, менші або рівні 5 мА. Напруга, що подається на голки, додатна, а частота мілісекундних імпульсів напруги живлення дорівнює 50 Гц. Селективне джерело УФ випромінювання працює таким чином. При сильному електричному полі поблизу додатково заряджених кінців голок, випадковий електрон викликає збудження газової суміші в даній точці. Електрони лавини притягуються до кінців голок, залишаючи за собою додатні іони, які створюють як би продовження додатного кінця голок. Фотоелектрони, що утворюються поблизу даного скупчення додатних іонів, також дають початок но вакуумну газозмішувальну систему, відрізняється тим, що в якості електродів встановлені електроди біполярного коронного розряду, причому один з електродів (катод) виконаний у вигляді металевої сітки з прозорістю 50-70%, а другий електрод (анод) виконаний у вигляді рядів металевих голок з радіусом заокруглення 0,1-0,5 мм, а віддаль між сусідніми голками ряду та величина міжелектродного проміжку a знаходяться у співвідношенні L£1/2a, причому вивід спонтанного випромінювання виконують в трьох варіантах, а саме, вивід випромінювання в напрямку перпендикулярному міжелектродній віддалі і напрямку збільшення кількості рядів з голками, що діє як мініатюрне джерело (кількість голок в ряду становить 5-10; кількість рядів з голками дорівнює 1-3; апертура джерела випромінювання в межах 4-6 см2); вивід випромінювання в напрямку перпендикулярному міжелектродній віддалі і паралельному рядам голок, тобто малогабаритне джерело (кількість голок в ряду дорівнює 50, кількість рядів з голками більша або дорівнює 10, апертура джерела випромінювання в межах 100300 см2); вивід випромінювання через напівпрозорий електрод (сітку-катод), що діє як джерело випромінювання високої апертури (кількість голок в ряду менша або дорівнює 50, кількість рядів з голками менша або дорівнює 50, апертура джерела випромінювання в межах 0,3-0,5 см2). Селективне джерело відрізняється тим, що біполярний коронний розряд живлять квазістаціонарними імпульсами напруги тривалістю 10 мс і частотою 50 гЦ в сумішах інертних і галогенвмісних газів типу Ro/R/М, де Ro - суміш гелію та неону (буферний газ), R - суміш ксенон криптону, аргону - робочий інертний газ, М - галогенвмісні молекули, а саме, хлористий водень, чотирихлористий вуглець, трифтористий азот, шестифториста сірка та інші, причому оптимальний склад робочих сумішей для одержання максимальної потужності УФ випромінювання становить: Ro=>150 кПа; [R]=(1¸10) кПа; [M]=(0,1-0,5) кПа, а величина обмежуючого опору більша або дорівнює 2-3 Мом, напруга на електродах знаходиться на ділянці вольт-амперної характеристики (ВАХ), що відповідає співвідношенню: Іср=k(v-v0)2, де Іср, v - середні значення струму та напруги розряду, v0 - напруга запалювання біполярного коронного розряду. Таким чином, розроблено конструкцію простого селективного джерела УФ випромінювання на основі коронного розряду додатної полярності в сумішах інертних та галогенвмісних газів. Завдяки запропонованому селективному джерелу УФ випромінювання одержують стабільну корону в вигляді пучків стрімерів, розміщених біля вістря кожної з голок, що не можливо одержати при використанні джерела - прототипу. В сумішах гелію з важкими інертними газами: R - аргон, криптон ксенон та галогенвмісними молекулами М: хлористий водень, чотирихлористий вуглець, фториста сірка (VІ), фтористий азот (ІІІ), додатна корона в системі електродів “голки-сітка” приймає просторово-однорідну форму. При тисках гелію, що переважають 200 кПа і невеликих вмістах R, М коронний розряд складається з великої 2 33018 вим лавинам. Ці лавини і призводять до утворення катодного стрімера. За наявності в суміші галогеноносіїв (електровід’ємних молекул) до них ефективно прилипають електрони при їх русі в напрямку голок. Внаслідок цього, просторовий заряд від'ємних іонів ослаблює електричне поле біля голок, тому подальше розмноження лавини і струм затухають. Так відбувається формування імпульсу струму КР. З мірою витягування від’ємних іонів до рядів з голками (анода), а додатних до сітки (катода), напруженість зовнішнього електричного поля відновлюється і знову створюються умови для формування нового імпульсу струму. На фіг. 2 наведено типову вольт-амперну характеристику (ВАХ) КР на прикладі суміші гелій/криптон/хлористий водень : 300/5/0,4 кПа. Для найбільш стійкого КР при низьких напругах живлення спостерігається ділянка ВАХ з типовою для КР квадратичною залежністю: І=(v-v0)2 (1) де v0 - потенціал запалювання розряду. При більших вмістах R і напругах струм зростає за більш різким законом, а сама ВАХ стає неоднозначною (спостерігається гістерезис). Явище гістерезису ВАХ КР в інертних газах пов'язано з нелінійними процесами хемііонізації: R*+R* R*+R*+e, (2) R*2+e які виникають в приелектродних областях КР. При зменшенні тиску, ВАХ приймає S-подібний вигляд, характерний для дугових розрядів. Типові осцилограми струму КР наведені на фіг. 3, на прикладі суміші гелій/криптон/хлористий водень: 300/3/0,4 кПа, при різних тисках гелію 300150 КПа. При високих тисках гелію осцилограми струму характеризуються квазістаціонарною підкладкою тривалістю 7-8 мс і короткими імпульсами струму на початковій стадії КР. Частота імпульсів струму змінюється залежно від напруги в межах 102-104 Гц. При зменшенні тиску гелію до 150 кПа при деяких напругах спостерігається утворення неоднорідностей. На осцилограмах в кінцевій стадії розряду замість коротких імпульсів струму спостерігається квазістаціонарний струм контрагованої стадії КР. На фіг. 4 представлено оглядові спектри випромінювання КP на суміші гелій/криптон/хлористий водень : 300/5/0,4 кПа. При малих струмах, тобто коли Іср становить 75 мкА, в УФ спектрі випромінювання спостерігається лише смуга 222 нм КrСІ* (В-Х), а при збільшенні струму КР до 300 мкА з'являються і слабкі смуги КrСІ* (С-А) 230 нм та СІ*2 255 нм. Основними процесами утворення молекул в даних умовах можуть бути реакції: Kr*2+Cl-+(He) KrCl*(B,C)+He (3) Kr*+HCl(V) KrCl*(B,C)+Hо (4) Роль іон-іонної рекомбінації високозбудженого криптону з високозбудженим хлором в даних умовах повинна бути значною, оскільки при атмосферних тисках час конверсії Кr* Кr*2 не перевищує 10 нс, а час дрейфу додатних іонів через міжелектродний проміжок становить 10 мкс. На фіг. 5 наведено типову залежність середньої інтенсивності смути випромінювання 222 нм КrСІ* від величини розрядного струму для суміші гелій/криптон/хлористий водень : 280/2,8/0,4 кПа. Ріст інтенсивності смути КrСІ* зумовлений збільшенням частоти імпульсів струму КР та його амплітуди. Аналогічні залежності спостерігаються також і для смуги l 308 нм ХеСІ*. Селективне джерело УФ випромінювання відрізняється простотою конструкції, що дозволяє одержувати стабільну корону в вигляді пучків стрімерів, розміщених біля вістря кожної з голок, а також дає можливість проведення просторового масштабування даного джерела спонтанного випромінювання за напрямками збільшення кількості голок в ряду, збільшення кількості рядів з голками. Винахід може бути використаний в мікроелектроніці, хімії високих енергій, медицині та біології, а також в системах передіонізації широкоапертурних ексимерних лазерів. Джерела інформації. 1. А.П. Головицких, С.Н. Кан. Характеристики ультрафиолетового эксимерного излучения непрерывного тлеющего разряда низкого давления // Оптика и спектроскопия. – 1993. - Т. 3. - С. 604609). 2. Gerber T., Zutlyg W. Optics Communications, 1980, v. 38, № 2. - Р. 24). 3. Радиофизическая электроника. / Под ред. проф. Капцова Н.А. - М.: МГУ, 1960. - 561 с. прототип. 3 33018 Фіг. 1 Фіг. 2 4 33018 Фіг. 3 Фіг. 4 5 33018 Фіг. 5 _________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 6 33018 ___________________________________________________________ 7