Газоразрядная лампа

 

Газоразрядная лампа предназначена преимущественно для микроэлектроники и информационной техники. Газоразрядная лампа содержит газоразрядную камеру с расположенными в ней электродами. Электроды подключены к импульсно-периодическому высоковольтному источнику питания. Один электрод выполнен в форме прозрачной сетки. Второй электрод выполнен в форме секционированного конденсатора. Одна из обкладок конденсатора выполнена сплошной, а другая выполнена в виде матрицы электродов, расположенных на диэлектрической пластине, параллельной сетке. Электроды матрицы составляют с сеткой щелевой газоразрядный промежуток. Сплошная обкладка конденсатора расположена под диэлектрической пластиной и подсоединена к импульсно-периодическому источнику питания, при этом величина емкости второго секционированного электрода превышает не менее чем в 10 раз величину емкости разрядного зазора. Газоразрядная лампа может быть выполнена без выходного оптического окна, тогда лампа работает в открытом режиме. Слой фотолюминофора с защитным покрытием в этом случае нанесен на диэлектрическую пластину между электродами матрицы. Газоразрядная лампа может быть выполнена с герметичным выходным оптическим окном и заполнена эксимерной смесью газов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области физики газоразрядной плазмы и может быть использовано преимущественно при создании источников света с заданным спектральным составом излучения и широким полем облучения.

Существует много чрезвычайно важных для микроэлектроники, медицины, экологии и информационной техники фотохимических технологий и схем, для которых необходимы недорогие, компактные ультрафиолетовые источники с апертурой светового пучка более 100 см², интенсивно излучающие в спектральном диапазоне 100 - 300 нм.

Известны газоразрядные парортутные лампы низкого давления [1], решающие проблему генерации ультрафиолетового излучения с помощью плазмы тлеющего разряда и получения потока фотонов с большим поперечным сечением. В такой лампе эффективно возбуждается излучение вблизи 254 и 185 нм в соотношении примерно 10 : 1. При использовании кварцевой оболочки такие лампы нашли широкое применение в качестве малоинтенсивных источников ультрафиолетового излучения. Также лампа применяется в качестве люминесцентной лампы дневного света при использовании оболочки из стекла с нанесенным на внутреннюю поверхность фотолюминофором заданной цветности. Основной недостаток таких ламп для использования в фотохимических технологиях связан с принципиальным ограничением интенсивности ультрафиолетового излучения на уровне 10^-3 Вт/см² и наличием экологически опасного вещества - ртути.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является газоразрядная лампа, представляющая собой широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе барьерного разряда [2]. Такой источник ультрафиолетового излучения представляет собой газоразрядную камеру, образованную парой электродов, из которых хотя бы один покрыт диэлектриком, электроды подключены к импульсному высоковольтному источнику питания - генератору синусоидальных колебаний с напряжением 5 - 10 кВ и частотой до 50 кГц. Диэлектрический слой необходим для рассредоточения разряда по всей площади электродов. При подаче высоковольтных импульсов в межэлектродном промежутке с оптимальным зазором порядка 1 - 2 мм возникает дискретная во времени и пространстве структура микроразрядов. По сути, это хорошо изученный таунсендовский разряд, который характеризуется низкой плотностью тока в разряде и низкой эффективностью из-за неоднородного распределения электрического поля в межэлектродном зазоре. При масштабировании устройства и переходе к многоэлементным электродным структурам трудно обеспечить одинаковый зазор и сохранить высокую однородность параметров диэлектрика, что сказывается на однородности возбуждения плазмы в барьерном разряде.

Повышение интенсивности и однородности ультрафиолетового излучения по сечению пучка фотонов достигается в предлагаемой газоразрядной лампе.

Предлагаемая газоразрядная лампа содержит газоразрядную камеру с расположенными в ней подключенными к импульсно-периодическому высоковольтному источнику питания электродами. Один из электродов выполнен в форме прозрачной сетки, а второй электрод выполнен в форме секционированного конденсатора, при этом одна из обкладок конденсатора выполнена сплошной, а другая выполнена в виде матрицы электродов, расположенных на диэлектрической пластине, параллельной сетке. Матрица электродов составляет с сеткой щелевой газоразрядный промежуток с зазором не более 1 мм. Сплошная обкладка конденсатора расположена под диэлектрической пластиной и подсоединена к одной из клемм импульсно-периодического источника питания, при этом величина емкости второго секционированного электрода превышает не менее, чем в 10 раз величину емкости газоразрядного промежутка.

На диэлектрической пластине между электродами матрицы может быть расположен слой фотолюминофора с защитным покрытием, прозрачным для ультрафиолетового излучения.

Газоразрядная камера может быть снабжена герметичным выходным оптическим окном и заполнена эксимерной смесью газов. При этом газоразрядная камера может быть выполнена как со слоем фотолюминофора с защитным покрытием, прозрачным для ультрафиолетового излучения, так и без него. Слой фотолюминофора может быть расположен на оптическом окне или на диэлектрической пластине между электродами матрицы.

Величина емкости второго электрода выбрана больше в 10 раз емкости газоразрядного промежутка исходя из того, чтобы основная доля падения напряжения и энерговклада приходилась на газоразрядный промежуток.

На фиг. 1 схематично изображена конструкция газоразрядной лампы без оптического окна, а на фиг. 2 схематично изображена конструкция газоразрядной лампы с оптическим окном.

Газоразрядная лампа состоит из камеры 1 и системы электродов, включающей сетчатый электрод 2, матрицу точечных электродов 3, расположенных на диэлектрической пластине 4. Матрица электродов 3 является одной из обкладок конденсатора. Электроды 3 могут быть выполнены напылением в виде точек или острий. На противоположную сторону диэлектрической пластины 4 напылен сплошной электрод 5, являющийся второй обкладкой конденсатора. При этом электроды 2 и 5 подключены к импульсно-периодическому источнику 6 напряжения прямоугольной или синусоидальной формы. Для работы в режиме люминесцентной лампы на диэлектрической пластине 4 между электродами 3 может быть нанесен слой фотолюминофора 7 с защитным покрытием 8, прозрачным для ультрафиолетового излучения.

В другом варианте торец газоразрядной камеры 1 может быть закрыт оптическим окном 9 для вывода излучения. Для работы в режиме люминесцентной лампы слой фотолюминофора 7 с защитным покрытием 8 может быть нанесен на оптическое окно 9. Сетчатый электрод 2 расположен параллельно оптическому окну 9.

Сетчатый электрод 2 выполнен из термостойкого материала с прозрачностью не хуже 80%, например из вольфрама с никелевым покрытием.

В качестве материала защитного покрытия, прозрачного для ультрафиолетового излучения, используется, например, MgF₂ с толщиной слоя порядка 1 мкм.

Матрица электродов 3 выполнена с плотностью расположения не хуже 10 см^-2. Таким образом, создается большое число искровых промежутков, однородно распределенных по сечению разряда. Матрица электродов 3 расположена на расстоянии не более 0,1 - 1 мм от сетчатого электрода 2. Диэлектрическая пластина 4 выполнена из конденсаторной керамики толщиной 1 - 2 мм и коэффициентом диэлектрической проницаемости не хуже 5. Импульсно-периодический источник 6 напряжения прямоугольной или синусоидальной формы имеет фронт нарастания импульса напряжения не хуже 100 нс, обеспечивает пробой разрядного промежутка и соответствующий энерговклад в плазму разряда.

Газоразрядная лампа работает следующим образом.

Газоразрядная камера 1 заполнена рабочей смесью газов (воздушная смесь или эксимерная смесь - чистые инертные газы или инертные газы с присадкой галогенов) при оптимальном давлении порядка 1 - 5 атм. При подаче напряжения от импульсно-периодического источника 6 на сетчатый электрод 2 и сплошной электрод 5 в образованных между сетчатым электродом 2 и точечными электродами 3 искровых разрядных промежутках возбуждается секционированный искровой разряд в щелевом газоразрядном промежутке. Благодаря этому образуется слой газоразрядной излучающей плазмы.

В такой конструкции газоразрядной лампы реализован низкоиндуктивный разрядный контур для обеспечения высокой скорости ввода энергии в разряд, что имеет принципиальное значение для возбуждения эксимерных газовых сред и генерации ультрафиолетового излучения.

Разряд реализуется при относительно больших давлениях. Параметры плазмы могут варьироваться в широких пределах с целью оптимизации процесса генерации ультрафиолетового излучения. Излучение носит импульсный характер. Частота следования импульсов излучения определяется лишь источником питания и может достигать нескольких десятков и сотен килогерц.

Для большинства применений щелевой газоразрядный промежуток имеет оптимальный размер порядка 1 мм. Площадь разряда может меняться от нескольких мм² до сотен см². В предлагаемой конструкции плотность элементов секционированного электрода может соответствовать 1 - 10 см^-2, т.е. количество плазменных образований в таком распределяемом разряде может составлять величину 10 - 10⁵. В зависимости от параметров высоковольтных импульсов концентрация и температура электронов в плазме микрошнуров могут изменяться в очень широких пределах, что позволяет достаточно легко оптимизировать параметры возбуждения газовой среды для генерации коротковолнового ультрафиолетового излучения.

В зависимости от выбора рабочей смеси газов и выполнения выходного окна лампа может работать в различных режимах: в режиме открытого разряда, в режиме эксимерной лампы и в режиме люминесцентной лампы.

В режиме открытого разряда выходное окно отсутствует. Рабочей смесью газов служит атмосферный воздух, газовая среда лазера или любого другого фотохимического реактора.

При работе в воздушной среде зарегистрировано ультрафиолетовое излучение в коротковолновой области, ограниченной лишь поглощением воздуха вблизи 180 нм. При работе лампы в воздушной атмосфере наблюдался фотосинтез озона.

В режиме открытого разряда при нанесенном на диэлектрическую пластину 4 фотолюминесцентном слое 7 лампа с открытым разрядом достаточно эффективно возбуждала триаду фотолюминофоров. Зарегистрирована яркость свечения зеленого цвета примерно 200 нит.

Наиболее перспективными для промышленного использования являются источники излучения, использующие излучение эксимерных молекул. Для генерации интенсивного некогерентного ультрафиолетового излучения используется образование эксимерных молекул в специально подобранных газовых смесях. Эксимеры - это неустойчивые комплексы молекул, которые образуются в экстремальных условиях, возникающих на короткое время в специальных типах газовых разрядов. Кратковременное (наносекундный диапазон) существование эксимеров завершается их распадом с одновременным излучением кванта ультрафиолетового излучения. В настоящее время известно уже большое число эксимеров, в результате чего почти для каждого требуемого диапазона длин волн может быть выбрана пригодная газовая смесь. Для эффективного образования эксимеров в плазме электрического разряда необходимо выполнение ряда условий. Во-первых, функция распределения электронов по энергии должна быть такой, чтобы обеспечивалось образование активных ионов и возбужденных атомов. Во-вторых, давление газовой смеси должно быть достаточно большим, чтобы трехтельные реакции образования эксимеров шли быстрее, чем многочисленные реакции гашения активных радикалов. На практике эксимерные комплексы достаточно эффективно образуются при средней энергии электронов порядка 10 эВ и давлении смеси около 1 атм., что достижимо только в условиях неравновесного разряда. Идеально для этой цели подходит предлагаемый импульсно-периодический распределенный искровой разряд. Это неравновесный разряд, реализуемый при относительно больших давлениях. Параметры плазмы могут варьироваться в широких пределах с целью оптимизации процесса образования эксимеров.

В соответствии с описанием изобретения были изготовлены и испытаны в различных режимах газоразрядные лампы.

Эксимерная лампа представляла собой цилиндрическую камеру из нержавеющей стали диаметром 10 см, в переднюю стенку которой вмонтировано окно из MgF₂ для вывода излучения, диаметром 50 мм. Камера заполнялась активной средой. Высота камеры 10 мм. При использовании импульсного источника с выходным напряжением 3 - 10 кВ и частотой следования импульсов до 5 кГц длительность импульса тока разряда составляла 2 мкс. Примерно через 80 нс после начала импульса разрядного тока наблюдалась вспышка эксимерного излучения с длительностью порядка 150 нс.

Получено излучение эксимеров Xe^*₂ , KrCl^*, KrF^* и XeCl^* с длинами волн соответственно 172, 222, 248 и 308 нм.

Мощность и длительность импульса ультрафиолетового излучения определялись с помощью ФЭУ-142, предварительно прокалиброванного с помощью водородной лампы ДВС-25 с известным спектром и ленточной вольфрамовой лампы. Для регистрации спектров излучения в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) использовался 0,2-метровый вакуумный монохроматор McPherson Model 234 с решеткой 600 штр/мм.

Максимальный световой поток от лампы получен при использовании KrF смеси. Плотность выведенной через окно средней мощности при работе на частоте 400 Гц составила около 4 мВт/см². В принципе нет ограничений на увеличение частоты разряда до 100 кГц с целью увеличения средней мощности излучения. Диаметр светового пучка на выходе из лампы составлял примерно 5 см, а неоднородности по сечению пучка на расстоянии 10 см были меньше 5%.

В режиме люминесцентной лампы секционированный поперечный разряд можно рассматривать как оптическую систему возбуждения фотолюминофоров. Фотолюминофоры могут быть нанесены на внутреннюю поверхность оптического окна или на диэлектрическую пластину 4 между точечными электродами 3 матрицы газоразрядной лампы. Отсюда следуют достаточно стандартные требования к подобной системе накачки, которые определяют эффективность люминесцентной лампы в целом. Спектр излучения плазмы должен обладать определенной селективностью и соответствовать спектрам фотовозбуждения фотолюминофоров. Каждый фотолюминофор характеризуется определенным положением и шириной полосы в спектре фотопоглощения. При этом вид спектра фотопоглощения каждого фотолюминофора зависит от его химического состава. Спектр излучения должен быть подобран так, чтобы обеспечить максимально эффективную накачку всех типов фотолюминофоров. Квантовый выход фотолюминофоров должен быть достаточно высок. Интенсивность высвечивания фотолюминофоров будет зависеть от эффективности оптической системы накачки лампы, квантового выхода фотолюминофоров и геометрических характеристик нанесения фотолюминофорных покрытий на внутренней полости разрядной ячейки. Эффективность плазменной оптической системы накачки должна быть достаточно высокой, не вносить возмущений (типа ударных волн в газе при коротком импульсом разряде) и не разрушать тонкую пленку фотолюминофоров. Рабочая смесь газов должна обладать высокой химической стабильностью, чтобы не изменялся спектральный состав излучения импульсной плазмы. Поэтому в качестве рабочей смеси газов используются только инертные газы Xe или смеси He : Xe, Ne : Xe. Применительно к люминесцентной лампе для цветных информационных экранов наиболее эффективной оптической системой накачки импульсно-периодического действия является плазма предлагаемого разряда при использовании смеси инертных газов.

Предлагаемая лампа позволяет эффективно возбуждать фотолюминофоры трех основных цветов (синий, зеленый, красный) благодаря излучению плазмы и интенсивной генерации ультрафиолетового излучения в интервале 150 - 250 нм. Наилучшие результаты по ресурсу и по яркости свечения получены при использовании Xe при давлении порядка 1 атм. В этом случае излучение сосредоточено вблизи спектральной линии 172 нм. Фотолюминофор с защитным покрытием можно наносить на выходное оптическое окно или располагать в межэлектродном пространстве, когда фотолюминофор с защитной пленкой из MgF₂ наносится между электродами матрицы.

В проведенных экспериментах с люминесцентной лампой в случае использования атмосферного воздуха лампа обеспечивала интенсивное ультрафиолетовое излучение в спектральной области 180 - 250 нм, которое эффективно возбуждало триаду фотолюминофоров (синий, зеленый, красный цвета), зарегистрированная яркость зеленого света составила 200 нит. При использовании чистых инертных газов наилучший результат для возбуждения триады фотолюминофоров получен при использовании Xe при давлении 1 атм. Яркость зеленого света составила 2000 нит.

При создании миниатюрных ламп с повышенной яркостью свечения триады фотолюминофоров возможно построение крупномасштабных цветных информационных экранов. В то же время возможно создание широкоапертурных люминесцентных ламп повышенной яркости и их широкое использование при построении дисплеев различной конструкции.

Таким образом, предлагаемая газоразрядная лампа на основе секционированного искрового разряда в плотной смеси газов излучает некогерентное эксимерное излучение, например 172, 248, 308 нм, или широкополосное ультрафиолетовое излучение (100 - 300 нм) в зависимости от выбора рабочей смеси газов. Лампа может использоваться в трех режимах: в режиме открытого разряда, когда рабочей средой может являться атмосферный воздух или газовая среда фотохимического реактора (например, озонатора или газового лазера); в режиме эксимерной лампы, когда рабочей смесью лампы является эксимерная смесь газов (инертный газ/галоген или чистые инертные газы); в режиме люминесцентной лампы, когда излучение плазмы поперечного разряда используется для возбуждения фотолюминофоров заданной цветности, которые наносятся на выходное окно лампы или непосредственно на стенки газоразрядного промежутка. Конструкция газоразрядной лампы позволяет проводить ее масштабирование в широком диапазоне линейных размеров, форма может быть плоской или цилиндрической. Такая лампа может найти самое широкое применение во многих фотохимических технологиях в микроэлектронике, медицине и экологии, а также при создании цветных дисплеев и крупномасштабных экранов коллективного пользования в информационной технике.

Формула изобретения

1. Газоразрядная лампа, содержащая газоразрядную камеру с расположенными в ней подключенными к импульсно-периодическому высоковольтному источнику питания электродами, один из которых выполнен в форме прозрачной сетки, отличающаяся тем, что второй электрод выполнен в форме секционированного конденсатора, одна из обкладок которого выполнена сплошной, а другая выполнена в виде матрицы точечных электродов, расположенных на параллельной сетке диэлектрической пластины и составляющих с сеткой щелевой газоразрядный промежуток, при этом сплошная обкладка конденсатора расположена под диэлектрической пластиной и подсоединена к импульсно-периодическому источнику питания, а величина емкости второго электрода превышает не менее чем в 10 раз величину емкости газоразрядного промежутка.

2. Лампа по п. 1, отличающаяся тем, что слой фотолюминофора с защитным покрытием, прозрачным для ультрафиолетового излучения, расположен на диэлектрической пластине между электродами матрицы.

3. Лампа по п. 1, отличающаяся тем, что газоразрядная камера снабжена герметичным выходным оптическим окном и заполнена эксимерной смесью газов.

4. Лампа по п. 3, отличающаяся тем, что оптическое окно покрыто слоем фотолюминофора с защитным покрытием, прозрачным для ультрафиолетового излучения.

5. Лампа по п. 3, отличающаяся тем, что слой фотолюминофора с защитным слоем расположен на диэлектрической пластине между электродами матрицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 14-2004

Извещение опубликовано: 20.05.2004