Багатохвильова ультрафіолетова лампа бар’єрного розряду на молекулах фториду і хлориду криптону

Реферат: Винахід належить до фізики і техніки бар'єрного розряду та світлотехніки. Багатохвильова ультрафіолетова лампа бар'єрного розряду на молекулах фториду і хлориду криптону складається з системи електродів, розрядної трубки та джерела високовольтних імпульсів напруги. Колба лампи виготовлена з трьох коаксіальних кварцових трубок і має два незалежні UA 111581 C2 (12) UA 111581 C2 об'єми для газових сумішей криптон-елегаз та криптон-фреон в яких запалюється імпульсноперіодичний бар'єрний розряд при оптимальному значенні парціального тиску криптону, рівному 20-40 кПа, парціальному тиску парів фреону, рівному 50-150 Па, та парціальному тиску елегазу - 250-270 Па. Основними робочими смугами випромінювання лампи є смуга хлориду криптону з максимумом випромінювання при довжині хвилі 222 нм та смуга фториду криптону з максимумом випромінювання при довжині хвилі 248 нм, інтенсивності яких можливо змінювати в широких межах шляхом варіювання парціальних тисків малоагресивних фтор- і хлорвмісних молекул. Технічним результатом винаходу є можливість зміни інтенсивності випромінювання на смугах 222 нм та 248 нм у широких межах. UA 111581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до фізики і техніки імпульсно-періодичних бар'єрних розрядів та світлотехніки. Він може бути використаним для бактерицидного очищення питної води і повітря, стерилізації медичних інструментів та об'єктів консервного виробництва у харчовій промисловості, а також одержання озону. Відома газорозрядна лампа бар'єрного розряду, яка випромінює на смузі 222 нм KrСl (Х-В) і у якій використано робочі суміші на основі криптону з малоагресивним хлорносієм - парами фреону [1]. Лампа збуджувалась розрядом з двома діелектричними бар'єрами з скла при відношенні парціальних тисків криптону та парів фреону рівному 150/1 при добутку повного тиску суміші на віддаль між електродами - (7,6-14) кПа×см. При збудженні імпульсами тривалістю (0,5-1,7) мкс і амплітудою до 6 кВ максимальна середня потужність випромінювання досягала 0,23 Вт при ефективності 9 % і слідування імпульсів струму - 100 кГц. Середня тривалість імпульсу УФ випромінювання лампи знаходилась в діапазоні 70-170 нc. Найбільш суттєвими недоліками цієї лампи була відсутність можливостей перебудови її спектру в області максимуму поглинання молекул ДНК =220-260 нм. Будова лампи з плоскими непрозорими для УФ-випромінювання електродами була такою, що її робоча апертура не переважала 30-40 % від повної площі плазмового середовища. Значна віддаленість плазмового середовища лампи від її вихідного вікна з кварцу приводила до значного зменшення потужності випромінювання за межами лампи. Найбільш близькою до запропонованої відносно вихідних характеристик і будови випромінювача є ексиплексна лампа, яка збуджувалась в розряді з трьома діелектричними бар'єрами з кварцу циліндричної форми і двома незалежними робочими об'ємами та випромінювала на системі смуг 222 нм KrСl (Х-В)-282 нм ХеВr (Х-В) [2]. Довжина i площа 2 поверхні, яка випромінює, складали, відповідно, 9 см і 121,5 см , а величини розрядних проміжків лампи були рівними 5,5 і 4 мм. Лампа збуджувалась імпульсами напруги в формі меандру з амплітудою до 5,5 кВ і тривалістю 1,6 мкс при частоті слідування імпульсів напруги 80 кГц. Робочими сумішами лампи були суміші р(Kr)-р(Сl2)=(100-400)-1 при загальному тиску 141 тор і р(Kr)-р(Вr2)=(100-400)-1 при тиску 120 тор, якими заповнювались два незалежних її об'єми. Максимальна середня потужність УФ-випромінювання лампи досягала 1,2 Вт. Недоліком цієї лампи [2] є те, що її робоче середовище містить агресивні галогенвмісні гази - хлор та пари брому, а її спектр випромінювання не узгоджується з ефективним перерізом поглинання молекул ДНК у спектральному діапазоні =220-260 нм, оскільки смуга 282 нм ХеВr (Х-В) виходить за межі можливого поглинання світла молекулами ДНК. Внаслідок великої частоти слідування імпульсів накачки енергія в імпульсі випромінювання невелика, а його тривалість в праці [2] не визначалась. Імовірно, що вона не менша 0,5-1,0 мкс. Задачею винаходу є створення багатохвильової ультрафіолетової лампи на подвійних сумішах криптону і елегазу та криптону та фреону (ССl4) із збудженням імпульсно-періодичним бар'єрним розрядом, ультрафіолетовий спектр випромінювання якої містив би смуги з максимами при 222 нм KrСl (Х-В) та 248 нм KrF (X-B), iнтенсивність яких можливо було би змінювати в широких межах, що важливо для застосування лампи як бактерицидної. Поставлена задача вирішується таким чином, що багатохвильова ультрафіолетова лампа бар'єрного розряду на молекулах фториду i хлориду криптону, яка містить систему електродів, розрядну трубку, джерело високовольтних імпульсів напруги, яка відрізняється тим, що колба лампи виготовлена з трьох коаксіальних кварцових трубок і має два незалежні об'єми для газових сумішей криптон-елегаз та криптон-фреон, в яких запалюється імпульсно-періодичний бар'єрний розряд при оптимальному парціальному складі робочих середовищ, а саме при значенні парціального тиску криптону, рівному 20-40 кПа, парціального тиску парів фреону, рівному 50-150 Па, та елегазу - 250-270 Па, при цьому основними робочими смугами випромінювання лампи є смуга хлориду криптону з максимумом випромінювання при довжині хвилі 222 нм та смуга фториду криптону з максимумом випромінювання при довжині хвилі 248 нм, інтенсивності яких можливо змінювати в широких межах шляхом варіювання парціальних тисків малоагресивних фтор- і хлорвмісних газів. Перевагами запропонованої багатохвильової ультрафіолетової лампи бар'єрного розряду на основі молекул фториду криптону і хлориду криптону над прототипом є використання малоагресивних галогенвмісних молекул, можливість перебудови спектру випромінювання в межах першого максимуму поглинання молекул ДНК та підвищення енергії в імпульсі випромінювання при одночасному скороченні його тривалості. На фіг. 1 представлена схема живлення та будова багатохвильової ультрафіолетової лампи бар'єрного розряду. Бар'єрний розряд в лампі запалювався з використанням генератора біполярних високовольтних імпульсів напруги (1) тривалістю 20-30 нc та амплітудою напруги ±20-40 кВ. 1 UA 111581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Комутатором в модуляторі служив водневий імпульсний 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 частоті повторення імпульсів f=35-1000 Гц. Розрядна колба багатохвильової ультрафіолетової лампи була виготовлена з коаксіальних кварцових трубок діаметром 1,4 (8); 2,7 (9) і 3,7 (10) см та довжинами, відповідно, 50, 40 і 30 см. Товщина стінок в кварцових трубках складала 1,5-2,5 мм. Така система коаксіальних трубок утворювала два незалежних об'єми з розрядними проміжками (2,3). Суцільний електрод з дюралюмінію (4), на який подавались імпульси високої напруги, мав довжину 28 см і діаметр 1,1 см i розмішувався всередині трубки (8). Відкачка і заповнення газовими сумішами здійснювалась через патрубки для напускання робочих сумішей (6,7). На поверхні верхньої трубки встановлювався спіралеподібний електрод з нікелевого дроту з кроком 0,1 см, довжиною 14 см і діаметром 0,38 мм. Цей електрод забезпечував прозорість вихідної апертури лампи на рівні 80 %. Площа бічної поверхні лампи, 2 яка служила як робоча апертура, складала близько 350 см . Відкачування розрядної трубки лампи до залишкового тиску 5 Па та напуск робочих сумішей здійснювалося за допомогою вакуумної-газозмішувальної системи, що містила форвакуумний насос, вакуумні крани, вакуумметри і балони з газами. Пари фреону одержувались при випаровуванні рідкого чотирихлористого вуглецю при кімнатній температурі з спеціального балона з кварцу, який попередньо відкачувався до тиску 5-10 Па. Газорозрядна трубка під час експерименту примусово охолоджувалась струменем повітря від вентилятора. Багатохвильова ультрафіолетової лампа бар'єрного розряду на молекулах фториду і хлориду криптону працює наступним чином. У лампу, яка відкачана до залишкового тиску -1 повітря 10 Па, напускають в кожен з її незалежних об'ємів (2,3) робочі суміші криптон-елегаз та криптон-чотирихлористий вуглець. На внутрішній суцільний електрод лампи (4) подають високовольтні імпульси напруги від джерела (1). Напівпрозорий електрод (5) знаходиться під потенціалом землі. При цьому, між електродами (4) і (5) запалюється імпульсно періодичний просторово однорідний бар'єрний розряд наносекундної тривалості. Під дією електронів плазми бар'єрного розряду в результаті реакцій дисоціативного прилипання електронів до галогенвмісних молекул утворюються від’ємні іони фтору і хлору: е+ССl4→ССl3+Сl ; + e+SF6→SF5+F , а також відбувається іонізація атомів криптону: e+Kr→Kr +e+e. Після напрацювання в розряді від'ємних iонів хлору та фтору і додатних іонів криптону відбувається реакція іон-іонної рекомбінації з утворення фторидів та хлоридів криптону у збудженому В-стані на високорозмiщених коливальних рівнях. В результаті коливальної релаксації, яка відбувається при взаємодії коливально-збуджених молекул KrF(B,v>>1) з атомами криптону утворюються відповідні ексиплексні молекули на низько розміщених коливальних рівнях (v=1-3) електронного В-стану. Радіаційний розпад молекул KrCl(B,v=1-3) та KrF(B,v=1-3) і приводять до випромінювання на смугах 222 нм та 248 нм. Роздільне збудження робочих сумішей з різними галогеноносіями унеможливлює взаємодію між молекулами елегазу та фреону (а також між продуктами їх розпаду, наприклад, з утворенням проміжних сполук типу ClF), може приводити до зменшення інтенсивності випромінювання на В→X смугах молекул фториду і хлориду криптону. На фіг. 2 наведені спектри випромінювання багатохвильової ультрафіолетової лампи з трьома діелектричними бар'єрами, яка працює при заповненні її об'ємів подвійними сумішами p(Kr)-p(SF6)=20-0,25 кПа і р(Kr)-р(ССl4))=20-(0,013-0,13) кПа (а), а на фіг. 3 спектр при заправленні двох об'ємів лампи контрольною потрійною сумішшю, приблизно того же тиску із такими ж парціальними тисками галогенвмісних газів як для подвійних сумішей: р(Kr)-p(SF6)p(CCl4))=20-0,25-(0,013-0,13) кПа. Як випливає з одержаних результатів використання подвійних сумішей, що збуджуються в незалежних об'ємах лампи є більш ефективним ніж заповнення потрійною сумішшю з двома різними галогеноносіями двох робочих об'ємів лампи, оскільки в останньому випадку не вдається одержати в багатохвильовому режимі роботи приблизно однакової інтенсивності В→Х смуг молекул фториду та хлориду криптону. При просторовому розділенні газових сумішей в лампі виключається взаємодія між продуктами розпаду молекул елегазу та фреону, що може приводити до некорисних втрат потужності накачування на утворення інтергалогенідних сполук типу - ClF. Тому при накладанні спектрів випромінювання з обох об'ємів лампи стає можливим одержання однакової iнтенсивності випромінювання смуг 222 та 248 нм. Регулюючи парціальний тиск фреону в діапазоні 0,07-0,4 кПа та елегазу -(0,13-1,33) кПа можливо керувати 2 UA 111581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 інтенсивністю смуг випромінювання молекул хлориду та фториду криптону в межах основного максимуму поглинання молекул ДНК. Більш точне керування спектром випромінювання багатохвильової лампи в околах_максимумів В→Х смуг випромінювання хлориду і фториду криптону може здійснюватись за рахунок коливної релаксації цих ексиплексних молекул в межах їх електронного В-стану. При збільшенні тиску криптону з 5 до 100 кПа ширина В→Х смуг випромінювання молекул фториду та хлориду криптону зменшується на 1,0 нм. Для знаходження оптимальних вихідних характеристик лампи дослідження проводились в діапазоні парціального тиску криптону: (6,67-6,7) кПа. Парціальні тиски галогенвмісних сполук варіювались в діапазонах: фреон - (0,01-0,4) кПа, а елегаз - (0,013-1,33) кПа (фіг. 4). Максимальна інтенсивність смуг ексиплексних молекул отримана при парціальному тиску криптону (20-40) кПа, а елегазу (250-270) Па. Оптимальний парціальний тиск фреону слід вибирати в діапазоні (50-150) Па (при парціальному тиску криптону 23 кПа), оскільки при менших тисках фреону ресурс роботи лампи в газостатичному режимі може різко зменшуватися внаслідок незворотної деструкції хлорвмісних молекул в бар'єрному розряді. На фіг. 5 наведена залежність інтенсивності випромінювання смуги 248 нм KrF(B→Х) від напруги на модуляторі імпульсів (при f=200 Гц), а на фiг. 6 - залежність її відносної інтенсивності від частоти при заправленні обох об'ємів лампи сумішами різного складу: p(Kr)-p(SF6)=21,3-0,11 (1); 21,3-0,27 (2) та 21,3-0,40 (3)кПа. З фіг. 5 випливає, що для розряду в суміші p(Kr)-p(SF6)=21,3-0,27 кПа, відносна інтенсивність смуги KrF при збільшенні напруги на модуляторі імпульсів від U=13 кВ до 19 кВ лінійно зростає. В бар'єрному розряді на суміші Kr-SF6 зменшення парціального тиску елегазу з 270 до 110 Па приводило до лінійної залежності інтенсивності смуги випромінювання з =248 нм KrF (В→Х) від зарядної напруги. Це, iмовірно, зумовлено впливом елегазу на однорідність розряду. З фіг. 6 видно, що в бар'єрному розряді на суміші p(Kr)-p(SF6)=21,3-0,270 кПа інтенсивність смуги 248 нм при частотах від 35 Гц до 100 Гц повільно зростала, а при частотах від 200 до 400 Гц - зростала стрімко. Це говорить про те, що саме при такому частотному діапазоні відбувається ефективне утворення молекул фториду криптону, що підтверджується і виглядом свічення бар'єрного розряду при підвищених частотах слідування імпульсів струму, який характеризувався високою просторовою однорідністю. Збільшення частоти слідування імпульсів струму від 40 до 1000 Гц приводило до зростання інтенсивності смуги молекули KrF (В→Х) у вісім разів. В області частот 200-1000 Гц спостерігалась майже лінійна залежність яскравості випромінювання на =248 нм. Особливості на залежності інтенсивності від частоти (фіг. 5) при малих частотах зумовлені переважно розпадом молекул елегазу в розряді та переходом його в неоднорідну стрімероподібну форму. Винахід може бути застосований в системах бактерицидного очищення питної води, одержанні озону, стерилізації медичного обладнання та обладнання харчової промисловості, яке використовується в технологічних лініях із консервування харчів. Джерела інформації: 1. Пикулев А.А., Цветков В.М. Исследование законов подобия газового разряда при возбуждении смеси Kr/ССl4 // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80, вып. 1. - С. 45-53. 2. Авдеев С.М., Соснин Э.А., Скакун B.C., Тарасенко B.C., Шитц Д.В. Источник духполостного излучения на основе трехбарьерной KrCl-XeBr -эксилампы // Письма в ЖТФ. 2008. - Т. 34, вып. 17. - С. 1-6. - Прототип. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Багатохвильова ультрафіолетова лампа бар'єрного розряду на молекулах фториду і хлориду криптону, яка містить систему електродів, розрядну трубку, джерело високовольтних імпульсів напруги, яка відрізняється тим, що колба лампи виготовлена з трьох коаксіальних кварцових трубок і має два незалежні об'єми для газових сумішей криптон-елегаз та криптон-фреон, з можливістю запалення імпульсно-періодичного бар'єрного розряду при оптимальному парціальному складі робочих середовищ, а саме при значенні парціального тиску криптону, рівному 20-40 кПа, парціального тиску парів фреону, рівному 50-150 Па, та елегазу - 250-270 Па, при цьому основними робочими смугами випромінювання лампи є смуга хлориду криптону з максимумом випромінювання при довжині хвилі 222 нм та смуга фториду криптону з максимумом випромінювання при довжині хвилі 248 нм, з можливістю зміни інтенсивності смуг шляхом варіювання парціальних тисків малоагресивних фтор- і хлорвмісних газів. 3 UA 111581 C2 4 UA 111581 C2 5 UA 111581 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6