Источник излучения

Изобретение относится к газоразрядным источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда, и может быть использовано в различных областях науки и техники, где необходимо ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение, например в фотохимии, фотобиологии, фотомедицине, микроэлектронике. Источник включает в себя разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод, расположенный во внутренней трубке колбы, заземленный электрод, расположенный на поверхности внешней трубки. При этом ось внутренней трубки колбы смещена относительно оси внешней трубки, образуя газоразрядный промежуток и буферный объем колбы, при этом колба ориентирована относительно вертикали на угол 45°<φ<75°, где φ - угол между газоразрядным промежутком и вертикалью, проходящей через центр внешней трубки в поперечном сечении колбы. Технический результат - увеличение ресурса и энергетической светимости. 2 ил.

 

Изобретение относится к газоразрядным источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда, и может быть использовано в различных областях науки и техники, где необходимо ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение, например в фотохимии, фотобиологии, фотомедицине, микроэлектронике.

Известные источники излучения на основе барьерного разряда предназначены для облучения поверхностей в несколько десятков квадратных сантиметров и выше, а разряд в них состоит из большого количества микроразрядов. Чаще всего в таких источниках используют колбу коаксиального типа и заполняют смесями инертных газов и галогенов или чистыми инертными газами. Ресурс работы этих устройств зависит от давления рабочей смеси газов, конструктивного исполнения и режима ввода энергии в газовую среду.

Известны источники излучения, содержащие разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы [1, 2]. Для увеличения срока службы таких приборов применяется внешнее охлаждение потоком воздуха или прокачка газовой смеси через рабочую зону [3]. В первом случае срок службы газоразрядного прибора ограничен, особенно при высоких уровнях возбуждения газовой среды. Во втором случае эксплуатация прибора ведет к высокому расходу газов, как правило, дорогостоящих. Кроме того применяется охлаждение внутренней трубки через помещенный в нее теплообменник с развитой поверхностью и имеющий хороший тепловой контакт с поверхностью кварцевой трубки [4]. Такой теплообменник сложен в изготовлении и требует использования компрессора для обеспечения прокачки воздуха через него.

Известны источники излучения, в которых для форсированного охлаждения газовой среды в колбе используется поток жидкости (воды), которая может контактировать непосредственно со стенками колбы или с металлическим радиатором, в который колба помещается [5, 6]. В этом случае недостатком является усложнение конструкции, а именно необходимость использования в качестве теплоносителя жидкости с большим удельным сопротивлением (деионизованная вода), внешнего теплообменника (и двойного контура охлаждения).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому источнику излучения является источник излучения [7], выбранный в качестве прототипа. Источник содержит разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки и состоит из перфорированного сегмента и сплошного отражающего. При этом высоковольтный электрод выполнен так, что часть поверхности, расположенная напротив перфорированного сегмента электрода, прилегает к внутренней стенке колбы, образуя при этом газоразрядный и буферный объем колбы. Источник излучения может дополнительно содержать корпус, обеспечивающий охлаждение потоком воздуха. Источник питания может быть размещен как в корпусе, так и снаружи.

Недостатки устройства: в протяженных колбах внутренний электрод является сложным в изготовлении и установке, а внешнее воздушное охлаждение становится неэффективным, поскольку охватывает только один торец колбы. Это приводит к снижению энергетической освещенности и ресурса прибора при увеличении вкладываемой в газ энергии.

Таким образом, среди существующих коаксиальных источников излучения на основе барьерного разряда сложно обеспечивать высокий ресурс работы источника и высокую энергетическую светимость, не прибегая к внешнему форсированному охлаждению жидкостью или воздухом.

Задачей настоящего изобретения является увеличение ресурса, энергетической светимости и упрощение охлаждения источника излучения на основе барьерного разряда.

Техническим результатом является усиление охлаждения за счет конвекции газа в колбе.

Технический результат достигается тем, что в источнике излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащим разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки, согласно изобретению ось внутренней трубки колбы смещена относительно оси внешней трубки, образуя газоразрядный промежуток и буферный объем колбы, при этом колба ориентирована относительно вертикали на угол 45°<φ<75°, где φ - угол между газоразрядным промежутком и вертикалью, проходящей через центр внешней трубки в поперечном сечении колбы. В этих условиях интенсифицируется конвекция газовой среды, что в конечном счете приводит к росту интенсивности излучения и срока службы газовой среды.

На фиг. 1 изображен источник излучения. Колба источника излучения выполнена из цилиндрических трубок 1 и 2 из диэлектрика, внешняя трубка 1 выполнена из материала, прозрачного на рабочей длине волны. Колба заполнена рабочей средой. Во внутренней трубке 2 расположен высоковольтный электрод 3, а второй электрод 4 - перфорированный - размещен на внешней поверхности и может быть сегментированным или сплошным. К электродам 3 и 4 подключен источник питания 6. Оси внешней и внутренней трубок параллельны, но смещены относительно друг друга. В результате трубки образуют газоразрядный промежуток 5. Он расположен под углом 45°<φ<75° по отношению к вертикали, проходящей через центр внешней трубки в поперечном сечении колбы.

Устройство работает следующим образом. При подаче на электроды 1, 2 импульса напряжения от источника питания 6 происходит зарядка внутренних областей стенок колбы, расположенных под электродами и пробой между газоразрядным промежутком 5. Эта область является активной (А), а зона, где разряд не горит - буферной (В). Затем в рабочей среде в газоразрядном промежутке 5 зажигаются микроразряды. Излучение выходит наружу колбы (направление вывода излучения показано белыми стрелками). За счет конвекции разогретая газовая смесь перемещается в буферное плечо из активного, охлаждается и вновь поступает в активное плечо. Для усиления конвекции может быть использовано охлаждение буферного плеча. Поскольку горячая смесь движется вверх, в область, где расстояние между внутренними стенками трубок увеличивается, это снижает гидродинамическое сопротивление потока газа и облегчает конвекцию. Газ, расширяясь, отдает часть своей тепловой энергии стенкам, охлаждается и снова поступает в активное плечо.

Это и воздушное охлаждение буферной части колбы позволяет снизить перегрев газовой среды, уменьшить скорость ее деградации, увеличить энергетическую светимость излучения и эффективность охлаждения газа (смеси газов).

Экспериментальные исследования заявляемого источника излучения показали следующее. Колба была выполнена из спаянных на торцах кварцевых трубок 1 и 2 с известным пропусканием в области ультрафиолетового излучения. Геометрические параметры колбы таковы: внешние диаметры трубок 40 и 15.5 мм; толщина стенок 2 мм, величина газоразрядного промежутка составила 6 мм; активная длина лампы 14 см.

Разряд зажигался в газоразрядном промежутке при подаче на электроды импульсного напряжения от источника питания (импульсы напряжения в форме разнополярных меандров, амплитуда до 4 кВ, длительность импульса на полувысоте 1.2 мкс, частота следования 81 кГц). Для управления конвекции использовались разные рабочие давления (p), энерговклады в среду (P_in) и два положения колбы во время испытаний φ₁=0° и φ₂=90°.

Колба заполнялась ксеноном при давлениях р<400 Торр. Спектр излучения источника при давлениях р<150 Торр представляет собой широкую полосу вакуумного ультрафиолетового (В УФ) излучения с максимумом на 172 нм и полушириной Δλ_1/2 ~ 30 нм.

Испытания при угле φ₁=0° в сравнении с φ₂=90° показали, что в месте вывода излучения внешняя стенка колбы разогревается примерно на 20% больше, а величина энергетической светимости, напротив, меньше примерно на треть. Средние значения вкладываемой мощности <Р_in> в обоих положениях были практически одинаковыми, но дисперсия σ(Р_in) при φ₁=0° была на 2/3 выше, чем при φ₂=90°. Это означает, что ориентация влияет на конвекцию газа и далее на стабильность выхода излучения.

На фиг. 2 дан временной ход значения энергетической светимости Хе₂-эксилампы при p=300 Торр при φ₂=90° и φ₁=0° (2, 3), при потребляемой источником питания мощности 40 (1, 2) и 54 (3) Вт. Видно, что при φ₂=90° полезный срок службы рабочей среды заметно увеличивается по сравнению с φ₁=0°. Кроме того, увеличение вкладываемой в плазму мощности ведет к увеличению энергетической светимости лампы примерно на треть. Это связано с увеличением конвекционного потока через активную область А (фиг. 1). Аналогичные зависимости были получены и при других условиях испытаний.

Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что в предложенной конструкции интенсификация конвекции ведет к росту интенсивности излучения молекул Хе₂*, стабильности потока излучения и срока службы прибора.

Следует отметить и то, что получение мощности излучения на уровне 100 мВт/см² в известных устройствах [1, 2] в смесях, содержащих молекулярный газ Сl₂, возможно только при наличии водяного охлаждения, а в заявляемом источнике этого удается добиться применяя более простое воздушное охлаждение.

Источник излучения обеспечивает увеличение ресурса, энергетической светимости и эффективности охлаждения, упрощение охлаждения.

Используемая литература

1. Esrom H., Kogelschatz U. Modification of surfaces with new excimer UV sources //Thin Solid Films. 1992. V. 218. P. 231-246.

2. Oppenländer T. Photochemical Purification of Water and Air. Weincheim: Wiley-Vch Verlag, 2003. - 368 p.

3. Matsuzawa S., Sumimoto Т., Yoshioka M., Matsuno H., Hiramoto Т. // Proc. Of 10 th Int. Symposium on the Science and Technology of Light Sources (Toulouse, France, July 18 th-22 nd, 2004). L-16. P. 175.

4. Патент RU 2310947 C1, опубл. 20.11.2007.

5. Arnold E., Driskemper R., Reber S. High power excimer sources // Proc. of the 8 th International Symposium on the Science and Technology of Light Sources (LS-8), Greif-swald, Germany, 30 Aug. - 3 Sept. 1998. - IL12. - P.90-98.

6. Kogelschatz U., von Arx Christoph. High-power radiator // Patent US 5198717 A.

7. Патент RU 2271590 C2, опубл. 10.03.2007.

Источник излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки, отличающийся тем, что ось внутренней трубки колбы смещена относительно оси внешней трубки, образуя газоразрядный промежуток и буферный объем колбы, при этом колба ориентирована относительно вертикали на угол 45°<φ<75°, где φ - угол между газоразрядным промежутком и вертикалью, проходящей через центр внешней трубки в поперечном сечении колбы.