Диссертация (Экспериментальное исследование источника вакуумного ультрафиолетового излучения на основе ртутного разряда низкого давления с высокой плотностью тока), страница 5

1.11 Характер изменения мощности генерации резонансного излученияртути за полупериод[46].Наконец, одним из важнейших факторов, определяющих генерацию УФизлучения разрядом, является давление и состав инертного газазаполняющего колбу. В разряде именно инертным газом определяетсяскорость диффузии заряженных частиц на стенки и значит скоростьионизации и электронная температура, необходимая для данной скоростиионизации. Варьируя давление и состав инертного газа можно существенноповысить КПД, ресурс работы и другие параметры ртутных ламп.Как отмечалось выше, важной функцией инертного газа являетсяснижение скорости диффузии заряженных частиц к стенке. Варьированиемдавления инертного газа, можно влиять на электронную температуруподбирая оптимальный режим.

Оптимальным можно считать такой уровеньT e , при котором, потери на упругие соударения минимальны по отношению кпотерям на возбуждение и излучение атомов ртути. При этом необходимоотметить, что потери на возбуждение и излучения зависят от электронной31температуры экспоненциально, а потери на упругие соударения линейно.Кроме того, T e не должна быть слишком велика, чтобы возбуждались, восновном, состояние 63P 1 (61P 1 для источников ВУФ-излучения) и непроисходило заметного возбуждения более высоко лежащих уровней.В работе [47]проведены исследования разряда в парах ртути и в смесипаров ртути и аргона. Получено, что добавка аргона приводит к уменьшениюпленения резонансного излучения 253.7 нм. В работе предложено следующееобъяснение этого:1) радиальные профили концентраций излучающих атомов болеепологие в смеси газов, чем в чистой ртути, – отношения концентрациивозбужденных атомов вблизи стенки к значению на оси разряда для смесиHg+Ar превышает такое же значение для чисто ртутного разряда более, чемна 25%.2).

Добавлениеаргонаприводиткдополнительномууширениюспектральной линии за счет Лоренцового уширения, обусловленногостолкновением атомов ртути и нейтрального газа. Учет уширения даетсогласующиеся с экспериментом зависимости. В эксперименте получено, чтодобавление аргона дает увеличение вероятности выхода излучения.Требуемая для оптимального выхода УФ-излучения электроннаятемпература может быть достигнута заменой одного буферного газа надругой,вкоторомскоростьамбиполярнойдиффузиивыше,ииспользованием более низких давлений при сохранении одного и того жедиаметра трубки [48].

Действительно, скорость исчезновения электронов иионов изменяется в соответствие с изменением коэффициента амбиполярнойдиффузии ионов в инертном газе, который в этом случае будетопределяетсяподвижностью ионов. Чем газ легче, тем больше подвижностьртути в нём. Таким образом, электронная температура, а, следовательно, иуровень насыщения выхода УФ - излучения будут наибольшими в гелии инаименьшими в ксеноне. На Рис. 1.12приведены зависимости выхода УФ 32излучения от подводимой мощности при постоянном давлении паров ртутидля ламп, диаметром 38 мм, наполненных инертными газами до давлений 260Па (2 торр) [21].Рис. 1.12 Выход линии 253,7 нм в зависимости от нагрузки на единицудлиныположительного столба для ламп диаметром 38 мм, наполненныхразличными инертными газами при давлении 260 Па (2 мм рт.

ст.) и придавлении ртути 0,8 Па (6·10-3 мм рт. ст.) [21].В работе [49] проведены исследования амальгамных источников УФ излучения низкого давления разрядной трубки с внутренним диаметром16.6 мм и получены зависимости электрических параметров и мощности УФ- излучения с длиной волны 254 нм от величины разрядного тока,подводимой мощности, давления и состава инертного газа. На Рис.1.13приведена зависимость КПД разряда от тока при различных давленияхинертного газа. При изменении тока температура холодной точки разрядаподдерживалась постоянной (Р Hg =7 мторр).

На рисунке видно, что припонижении давлениябуферной смеси с 4,0 до 2,0 торр КПД разряда маломеняется при небольших токах менее 1,0 А, и различается в несколько разпри токах свыше 3,0 А. При понижении давления возрастает скоростьдиффузии заряженных частиц на стенку разрядной трубки, что приводит кувеличению электронной температуры. Этим объясняется более медленный33спад КПД разряда при росте тока для малых давлений инертного газа. Приувеличении давления диффузия замедляется, и при росте тока КПДзначительно уменьшается.50η, %4534035302520115102501.0I, A1.52.02.53.03.5Рис.

1.13 Зависимости КПД генерации линии 254 нм от тока при разномдавлении. Смесь Ne+Ar в соотношении 30/70 при различных давлениях. 1 - 4торр, 2 - 3 торр, 3 - 2 торр. Р Hg = 7 мторр[49].В работе [49], также, показано, что увеличение скорости гибелизаряженных частиц на стенке может быть достигнуто применением болеелегких смесей инертных газов с бόльшим коэффициентом диффузии.Ниже(Рис. 1.14, 1.15) показано, что мощность УФ-излучения при болеелегкой смеси газов выше и достигает насыщения при более высоких токахразряда.

Напряжения разряда также выше для более легкой смеси газов приодинаковом разрядном токе.34P254 нм, Вт80180Uразр, В40% Ne30% Ne20% Ne706016050401403040% Ne30% Ne20% Ne201201001.0I, А1.21.41.61.82.02.22.42.62.8Рис. 1.14 Зависимость мощности УФизлучения 254 нм от разрядного токаприразличномсодержанииторр,амальгаманеона.р NeAr =3.5Hg 0.1 In 0.9I, А1001.01.21.41.61.82.02.22.42.62.8Рис. 1.15Зависимость напряженияот тока при различном содержаниинеона. Р NeAr =3.5 торр, амальгамаHg 0.1 In 0.9 .Влияние давление и состава инертного газа также исследовалось вработе [36].

Показано, что при снижении давления и увеличении доли болеелегкого газа в рабочей смеси лампы происходит увеличение мощностиизлучения и КПД генерации разряда. Данный эффект проявляется в разнойстепени в зависимости от тока лампы. При увеличении разрядного токапроисходит снижение КПД ламп и насыщение мощности УФ - излучения потоку (Рис. 1.16). При низких давлениях увеличение КПД лампы обусловленоснижением потерь на ионизацию и упругие соударения, что в свою очередьведет к снижению средней электронной температуры в разрядной плазме. Всилуэтихфактороввдуговомразрядепроисходитувеличениеэффективности возбуждения резонансного уровня ртути 63Р 1 .

При высокихдавлениях и более тяжелых рабочих смесях КПД и общий уровень мощностиУФ - излучения падает из-за роста потерь на упругие взаимодействия. Врассмотренных в работе [36] случаях варьируя состав и давление неонаргоновых смесейможно было добиться изменения в широком диапазоне35мощности лампы, КПД лампы и мощностей УФ - излучения при постоянномМощность УФКПД17016015014013012011010090807060501234444240383634323028262422205КПД, %Мощность УФ излучения, Вттоке разряда.6Ток лампы, АРис. 1.16 Зависимость мощности УФ - излучения (254 нм)и КПД лампы отразрядного тока при использовании газового наполнения 40/60 Ne/Ar сдавлением смеси 0.65 Торр [36].В тоже время, снижение давления и облегчение рабочей смеси вопервых увеличивает нагрузку на электрод в анодный полупериод работылампы – увеличивается ускоряющее заряженные частицы поле.

Поэтому,средняя энергия частиц, воздействующих на электрод, существенноувеличивается [36]. А во-вторых, при переходе к более низким давлениямухудшается отвод тепла от электрода, и он начинает перегреваться.Совокупность этих факторов приводит к тому, что ресурс электродного узласокращается–триспиральный электрод быстрее теряет свою эмиссионнуюспособность и дуговой разряд гаснет. Поэтому при создании источников УФ- излучения необходимо искать компромисс между мощностью, КПДгенерации УФ - излучения и сроком службы газоразрядного источника света.Состав инертного газа также оказывает влияние на механизм зажиганияразряда. В случае использования смеси газов может проявляться эффектПеннинга [21].

Суть этого эффекта в том, что атомы, составляющиебольшую36часть смеси газа, должны иметь более высокий потенциал возбужденияметастабильныхсостояний,чемпотенциалионизациименьшейсоставляющей в смеси. При этих условиях метастабильные атомы главнойсоставляющей газа, сталкиваясь с атомами, находящимися в меньшинстве,могут передавать им полную энергию возбуждения, ионизируя их при этом.Этот эффект способенсущественно понизить напряжение пробоя газа,поскольку требуется не ионизировать молекулы основной составляющейгаза, а только возбудить их до метастабильного уровня. В свою очередь,длядолгоживущего метастабильного уровня, возможны два основных каналарелаксации: через соударение со стенкой или через соударение с атомом газанаходящегося в меньшинстве с ионизацией последнего.

Таким образом,происходит ионизация газа примеси, а энергия для этого передается ненепосредственно через электронный удар, но с промежуточным звеном ввидевозбужденияосновногогаза.Наиболеехарактерныйпримерпеннинговой смеси это неон-аргоновая смесь. Метастабильный уровеньнеона (16,62 эВ) лежит чуть выше энергии ионизации аргона (15,76 эВ),поэтому добавление незначительного количества аргона в неон способносущественно понизить напряжение пробоя.

Для производства ртутных лампважно, что ртуть (энергия ионизации 10,43 эВ) образует смесь Пеннинга сгелием, неоном и аргоном. С тяжелыми криптоном и ксеноном ртутьПеннинговой смеси не образует. При этом давление ртути в современныхлампах на несколько порядков ниже, чем давление смеси инертных газов.1.6. Измерение оптических характеристик ртутных ламп низкогодавления.Для измерения потока излучения ртутной лампы с длиной волны 254нм могут применяться различные методики, по сути, не отличающиеся отметодик фотометрирования разрядных ламп, работающих в видимой части37спектра.

К ним относятся интегрирующие схемы, например сфера Ульбрихта[50,51] и кубический интегрирующий фотометр [52].Интегрирующиеустановкихорошитем,чтопозволяютполучитьзначениепотокаисследуемого источника излучения (ИИ)всего за одно измерение. Недостаткиже этих методик при работе с источниками коротковолнового УФ –излучения, связаны с требованиями к габаритам (лампы трубчатые, могутиметь длину до 1,5м) и свойствам диффузно отражающего покрытия. Такиепокрытия, работающие в диапазоне длин волн короче 280 нм, являютсядорогостоящими, и быстро деградируют в процессе эксплуатации из-завзаимодействия с высокоэнергетичными УФ – квантами. Для измеренияпотока ИИ может быть так же применена одна из гониометрических методик.Значительно упрощает задачу осесимметричность фотометрических телисследуемых ИИ, т.к.

благодаря этому, задача из трехмерной становитсядвумерной – измерение КСИ лампы. Установка для проведения измерений нарасстоянии формирования пучка лучей от ламп со сравнительно короткойдугой была изготовлена и применялась в настоящей работе. Однакоописанная установка годится лишь для измерения потока линии 254 нм, т.к.линия 185 нм не может быть измерена в среде атмосферного воздуха, азаполнение комнаты оптически прозрачным азотом для каждого измеренияявляется технически сложной и дорогостоящей задачей.

Применениегониорадиометров ближнего поля так же не является ключом к решениюзадачи,т.к.установки,интегрирующиеоблученностьпозамкнутойповерхности, не дают представления о фотометрическом теле ИИ, а созданиеустановки, содержащей собирающую оптику[53] и/или дополнительную кдатчику видеокамеру [54], является слишком дорогим, с учетом рабочегоспектрального диапазона. Традиционной в радиометрии бактерицидногоизлучения ртутных ламп является методика Кайтца [55,56,57] и еепроизводные [36].

Схема измерения по методике Кайтца приведена на Рис.1.17. Поток при этом рассчитывается по формуле:38Ф254 =2 2 ,(1.6.1.)2+sin ⁡(2)где, Е – облученность датчика на длине волны 254 нм, остальныеобозначения – в соответствии с Рис. 1.17.Рис. 1.17 Схема измерения в методике Кайтца[56].Формула (1.6.1.) получена при следующих допущениях:• Лампа излучает однородно вдоль всего положительного столба;• Расстояние между лампой и датчиком настолько велико, что лампуможно считать бесконечно тонкой;• Сила излучения в любой плоскости, содержащей ось лампы,распределяется по косинусному закону;• Все лучи попадают в апертуру датчика;• Угловая характеристика датчика в пределах ±α от нормали –косинусная.При больших расстояниях между лампой и датчиком, формула(1.6.1.)переходит в:Ф254 = 2 2 .(1.6.2.)При малых расстояниях, формула (1.6.1.) переходит в формулу длябесконечно длинной светящей нити [58]:39Ф254 =4 2 22+(1.6.3.).Опыт применения методики Кайтца в различных лабораториях мирапоказывает, что результат измерения мощности УФ излучения зависит отрасстояния между лампой и датчиком.