Ультрафіолетова імпульсно-періодична лампа бар’єрного розряду на суміші гелію з парами води

Реферат: Ультрафіолетова імпульсно-періодична лампа бартерного розряду на суміші гелію з парами води містить систему електродів, коаксіальну розрядну трубку з двома кварцовими бар'єрами, джерело імпульсів високої напруги наносекундної тривалості. Для формування плазми, що випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектра використано імпульсно-періодичний розряд з електродами, винесеними за межі робочого об'єму, який запалюється в газовій суміші He-D2O при оптимальному парціальному складі робочого середовища, а саме при значенні парціального тиску гелію рівному 10-20 кПа та значенні парціального тиску пари важкої води 100-250 Па. При цьому основною робочою хвилею випромінювання лампи є вузька молекулярна смуга гідроксилу з максимумом при довжині 309 нм OD(X-A), а максимальна потужність випромінювання складає 1 Вт при частоті повторення імпульсів накачування - 1 кГц. UA 76500 U (54) УЛЬТРАФІОЛЕТОВА ІМПУЛЬСНО-ПЕРІОДИЧНА ЛАМПА БАР'ЄРНОГО РОЗРЯДУ НА СУМІШІ ГЕЛІЮ З ПАРАМИ ВОДИ UA 76500 U UA 76500 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізики низькотемпературної плазми та світлотехніки і може застосовуватися у мікро- та наноелектроніці, фотохімії і фотомедицині. Відома газорозрядна, ультрафіолетова лампа низького тиску на основі смуги випромінювання гідроксилу з максимумом при 306,4 нм і збудженням робочої суміші на парі води тліючим неперервним розрядом [1]. Використовувалась кварцова розрядна трубка радіусом 1 см і довжиною 10 см. Розряд досліджувався в інертних газах Не, Ne, Аr, Хе при тисках в діапазоні 0,39-3,99 кПа, до яких додавали радикали гідроксилу. Недоліком цієї лампи є взаємодія плазми з відкритими електродами, що знижує ресурс роботи випромінювача, а також обмеженість спектрального діапазону випромінювання, при якому її спектральні характеристики в області вакуумного ультрафіолету залишились не дослідженими. Найбільш близькою до запропонованої ультрафіолетової лампи на парі води є лампа з двома діелектричними бартерами, яка працювала на сумішах підвищеного тиску аргону з парою води і випромінювала на смузі гідроксилу з максимумом при 309,2 нм [2]. Збудження розряду відбувалось імпульсами напруги в формі меандру з тривалістю 1,5 мкс, амплітудою до 5 кВ і частотою в діапазоні 26-96 кГц. Оптимальний парціальний тиск пари води складав близько 1,3 мм.рт.ст., а аргону - 200-350 мм.рт.ст. Максимальна потужність ультрафіолетового випромінювання лампи досягала 1,1 Вт, а коефіцієнт корисної дії – 0,45 %. Основним недоліком цієї лампи є низька енергія в імпульсі випромінювання та велика тривалість імпульсів випромінювання порядку 1-1,5 мкс. В основу корисної моделі поставлена задача створення ультрафіолетової, неканцерогенної імпульсно-періодичної лампи бар'єрного розряду з імпульсами випромінювання наносекундної тривалості на суміші гелію з парами важкої води (D2O), яка може потенційно мати високий ресурс роботи в газостатичних умовах, оскільки розрядна плазма на основі молекул важкої води відділена від металевих електродів бар'єрами з скла, а робоче середовище є неагресивним. Поставлена задача вирішується таким чином, що ультрафіолетова імпульсно-періодична лампа бар'єрного розряду на суміші гелію з парами води, яка містить систему електродів, коаксіальну розрядну трубку з двома кварцовими бар'єрами, джерело імпульсів високої напруги наносекундної тривалості, згідно з корисною моделлю, для формування плазми, що випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектра використано імпульсно-періодичний розряд з електродами, винесеними за межі робочого об'єму, який запалюється в газовій суміші He-D2O при оптимальному парціальному складі робочого середовища, а саме при значенні парціального тиску гелію рівному 10-20 кПа та значенні парціального тиску пари важкої води 100-250 Па, при цьому основною робочою хвилею випромінювання лампи є вузька молекулярна смуга гідроксилу з максимумом при довжині 309 нм OD(X-A), а максимальна потужність випромінювання складає 1 Вт при частоті повторення імпульсів накачування - 1 кГц. Перевагами даної ультрафіолетової лампи є її екологічність, на відміну від ртутних люмінесцентних джерел світла. Робоче середовище лампи не містить коштовних газових сумішей. Імпульсно-періодична лампа бар'єрного розряду на основі суміші пари важкої води з гелієм в неканцерогенному діапазоні спектра 300-312 нм може бути альтернативою лампам на хлориді ксенону з довжиною хвилі випромінювання в околі 308-310 нм, у яких агресивне робоче середовище на основі молекул хлору обмежує ресурс їх роботи. Крім цього, лампи нахлориді ксенону містять дорогий інертний газ - ксенон, що збільшує їх вартість. Важливою перевагою цієї лампи є використання пари важкої води замість звичайної, що приводить до збільшення інтенсивності ультрафіолетової смуги випромінювання молекули гідроксилу в 1,5-2,0 рази, а застосування для збудження бар'єрного розряду коротких і потужних імпульсів дозволило збільшити енергію в імпульсі випромінювання на один-два порядки при частоті їх слідування 100-1000 Гц. Імпульсно-періодична лампа бар'єрного розряду на молекулах гідроксилу може використовуватись для лікування псоріазу, вітіліго, екзем, атопіричних дерматитів та грибкових захворювань шкіри людини. Крім медичних застосувань, ця лампа може використовуватись в високошвидкісних поліграфічних машинах для офсетного друку, де під дією її випромінювання відбувається сушка полімерних фарб [3]. На фіг. 1. наведена конструкція імпульсно-періодичної ультрафіолетової лампи бар'єрного розряду на парах важкої води. Для збудження розряду з двома кварцовими бартерами застосовувався генератор імпульсів високої напруги (1) з резонансною перезарядкою накопичувального конденсатора ємністю 1540 пФ. Тривалість імпульсів напруги складала 20-30 нс, а їх амплітуда досягала ±(20-40) кВ. Комутатором в модуляторі служив водневий імпульсний 1 UA 76500 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тиратрон ТГИІ-1000-25. Імпульси напруги з модулятора підсилювались в 3-4 рази за допомогою імпульсного кабельного трансформатора. Амплітуда імпульсів струму в розряді знаходилась в межах 100-300 А при зміні частоти повторення імпульсів в діапазоні 35-1000 Гц. Циліндрична колба лампи виготовлена з двох коаксіальних кварцових трубок марки КУ-1 (5,6). Робоча довжина лампи складала 20 см, її зовнішній діаметр був рівний - 24 мм. Зовнішній діаметр внутрішньої циліндричної розрядної трубки (6) складав 12 мм. Віддаль між циліндричними бар'єрними поверхнями була рівною - 4,5 мм. На зовнішню колбу лампи був встановлений електрод (3) у вигляді спіралі з нікелевого дроту, який мав прозорість ~ 70 %. Внутрішній електрод (4) був виготовлений у вигляді суцільного циліндра з алюмінію і встановлювався у внутрішній кварцовій трубці лампи (6). Ультрафіолетова імпульсно-періодична лампа бар'єрного розряду на радикалах гідроксилу працює наступним чином. У газорозрядну трубку, яка була попередньо відкачана до -1 -4 залишкового тиску до 10 …5·10 мм.рт.ст., напускають робочу газову суміш гелію з парами важкої води. Пари води напускаються з окремого балона з важкою водою. Відкачка і заповнення газовою сумішшю здійснювалось через патрубок для напускання робочої суміші (7). При подачі на електроди напруги U< ±(20-40) кВ між електродами запалюється однорідний імпульсно-періодичний бар'єрний розряд (2) короткої тривалості. Утворення радикалів OD(A) відбувається в процесі дисоціативного збудження молекули води електронами бар'єрного розряду: е + D2O → OD(A) + О. Збуджені молекули гідроксилу розпадаються з випромінюванням смуги з максимумом при довжині хвилі 309 нм (фіг. 2.) і утворенням молекул гідроксилу в основному стані - OD(X). Спектр, наведений на фіг. 2. одержаний при використанні суміші p(He)-p(D2O) = 20-0.133 кПа. Смуга гідроксилу в діапазоні довжин хвиль 306-312 нм є основною в спектральній області 200-400 нм. На фіг. 3. представлена залежність інтенсивності спектральної смуги випромінювання радикала OD від парціального тиску пари важкої води в бар'єрному розряді в суміші He-D2O при р(Не)=2.0 кПа. В діапазоні парціального тиску парів важкої води 100-250 Па спостерігається максимальна інтенсивність смуги 309 нм OD(X-A). На фіг. 4. наведена залежність інтенсивності смуги 309 нм OD(X-A) від величини парціального тиску гелію в лампі при фіксованому парціальному тиску парів важкої води, рівному - 200 Па. Оптимальний тиск гелію знаходиться в діапазоні 10-20 кПа. При тиску гелію більшому за 40 кПа спостерігається утворення окремих плазмових шнурів на фоні просторово однорідного бар'єрного розряду. Це приводить до зростання інтенсивності ультрафіолетового випромінювання лампи в діапазоні тисків гелію 40-60 кПа, що вказує на досить високу ефективність утворення збуджених радикалів гідроксилу в умовах утворення філаментів. На фіг. 5. наведені залежності інтенсивності ультрафіолетової смуги гідроксилу від напруги, до якої заряджається робочий конденсатор високовольтного модулятора при частоті - 80 Гц та від частоти слідування імпульсів струму при фіксованій зарядній напрузі - 13 кВ. Ці дослідження проведені при використанні робочої суміші p(He)-p(D2O)=20-0.2 кПа. Зміна зарядної напруги в діапазоні 13-20 кВ показала, що інтенсивність ультрафіолетового випромінювання радикалів гідроксилу зростає при збільшенні зарядної напруги без ознак насичення. Подібний характер залежності інтенсивності ультрафіолетового випромінювання смуги 309 нм OD(X-A) було одержано і при збільшенні частоти слідування імпульсів струму в діапазоні 351000 Гц. Це вказує на перспективність подальшого зростання частоти і у діапазоні частот, що переважають частоту 1 кГц. Ультрафіолетова імпульсно-періодична лампа бар'єрного розряду на парі важкої води, яка випромінює в області неканцерогенного ультрафіолету на довжині хвилі з максимумом при 309 нм, може застосовуватися в мікроелектроніці, фотомедицині та в фотобіології. Джерела інформації: 1. Вуль А.Я., Кидалов С.В., Миленин В.М., Тимофеев Н.М., Ходорковський М.А. Новый эффективный газоразрядный источник оптического излучения низкого давления на основе гидроксила ОН // Письма в ЖТФ, 1999. - Т. 25. - Вып. 1. - С. 10-16. 2. Соснин Э.А., Ерофеев М.В., Авдеев СМ., Панченко А.Н. и др. Ультрафиолетовая лампа барьерного разряда на молекулах ОН // Квантовая электроника, 2006. - Т. 36. - № 10. - С. 981983. - Прототип. 3. Бойченко A.M., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. Томск: STT, 2011. - 512 с. 60 2 UA 76500 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Ультрафіолетова імпульсно-періодична лампа бартерного розряду на суміші гелію з парами води, яка містить систему електродів, коаксіальну розрядну трубку з двома кварцовими бар'єрами, джерело імпульсів високої напруги наносекундної тривалості, яка відрізняється тим, що для формування плазми, що випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектра, використано імпульсно-періодичний розряд з електродами, винесеними за межі робочого об'єму, який запалюється в газовій суміші He-D2O при оптимальному парціальному складі робочого середовища, а саме при значенні парціального тиску гелію, рівному 10-20 кПа та значенні парціального тиску пари важкої води 100-250 Па, при цьому основною робочою хвилею випромінювання лампи є вузька молекулярна смуга гідроксилу з максимумом при довжині 309 нм OD(X-A), а максимальна потужність випромінювання складає 1 Вт при частоті повторення імпульсів накачування - 1 кГц. 3 UA 76500 U 4 UA 76500 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5