Диссертация (Экспериментальное исследование источника вакуумного ультрафиолетового излучения на основе ртутного разряда низкого давления с высокой плотностью тока), страница 9

На Рис. 2.8. сопоставляются результаты, полученные дляисследуемой лампы при прямом измерении всей КСИ, при использованииметодики Кайтца и рассчитанные по распределению облученности.63Рис. 2.9 КСИ лампы в начале срока службы, полученные с помощью прямогоизмерения, косинусной аппроксимации и из распределения облученности.Как видно из графика, предложенная методика позволяет получитьхорошую сходимость между результатами прямых измерений и решениемобратной задачи, если удачно подобрана аппроксимирующая решениефункция (не слишком много варьируемых параметров).

В противном случае,существует риск получить результат, хорошо сходящийся с прямымэкспериментом в области малых углов, но расходящийся в остальномдиапазоне, и, как следствие, приводящий к большой ошибке при расчетепотока лампы. Для борьбы с данным эффектом, следует располагать осьперемещения датчика ближе к лампе. Согласно расчетам, оптимальнымрасстоянием с точки зрения разнообразия получаемой информации, является0,6 длины положительного столба (на очень больших и очень маленькихрасстояниях, измеренные значения облученности будут мало отличаться отточки к точке). Однако верхний предел измерения используемого датчика не64всегда позволяет создать такие условия измерения,т.к.

исследуются лампы свысокой удельной мощностью.2.3. Использованная методика измерения параметров лампы.В задаче измерения потока линии 185 нм, методика, подобнаяописанной выше, может быть реализована лишь при наличии датчика,чувствительного в диапазоне длин волн короче 200 нм. За неимениемтакового,впроцессевыполненияэкспериментальныхисследованийприменялась схема измерения на основе вакуумного монохроматора (Рис.2.9)сдополнительноустановленнымдатчиком,чувствительнымкизлучению линии 254 нм.Рис.

2.10 Схема экспериментальной установки на базе монохроматора.Основнымэлементомэкспериментальнойустановкиявляетсявакуумный монохроматор McPherson 218 (Рис. 2.10).65Рис. 2.11 Вакуумный монохроматорMcPherson 218.Данный монохроматор позволяет измерять УФ излучение в диапазоневолн от 105 нм (граница пропускания входного окна монохроматора изфторида магния MgF 2 ). Рабочая камера монохроматора откачивалась додавления менее 10-3торрпри помощи диффузионного насосаVarianDS-102итурбомолекулярного насоса VarianTurbo – V 70. В комплект монохроматоравходили две плоские алюминиевые дифракционные решетки 600 шт/мм смаксимумом отражения на длине волны 500 нм и 1200 шт/мм с максимумомотраженияна200 нм.Дляизмеренийбылаиспользованарешетка1200 шт/мм.

Геометрический размер дифракционной решетки154х206 мм.СпектральныехарактеристикиданнойрешеткиприведенынаРис.2.11(решетка работает в первом порядке дифракции). Дисперсия составляет2,6 нм/мм.66Рис. 2.12 Спектр отражения дифракционной решетки (1200 шт/мм, макс200 нм)Для измерения сигнала использовался фотоэлектронный умножитель(ФЭУ)PMT 658-1 (HamamatsuR6095). Спектральная характеристика ФЭУприведена на Рис. 2.12. Для измерения ВУФизлучения перед ФЭУустановлен сцинтиллятор из салицилата натрия, излучающий в диапазоне350-550 нм. Коэффициент усиления ФЭУ экспоненциально зависит отускоряющего напряжения. В качестве источника напряжения использовалсяPMT PowerSupplyModel 7640 Series.

В работе было экспериментальноопределено оптимальное значение ускоряющего напряжения равное 350В.Темновой ток при данном напряжении был равен примерно 0,07 нА исоставлял менее 0,1% от измеряемого сигнала. Ток ФЭУ измерялся спомощью пикоамперметра KEITHLEY 6485. Величина входной и выходнойщелимонохроматорабылавыбранаравной300 мкм.Дляоценкипогрешности, вносимой рассеянным излучением других спектральныхлиний,измерялсяоткликизмерительнойсистемы,настроеннойнарезонансную линию 185 нм, на бактерицидную лампу изготовленную издопированного оксидом титана стекла.

Такая допировка практически не67изменяет мощности излучения линии 254 нм и других, с большей длинойволны, но практически полностью блокирует выход линии 185 нм.Измерения показали, что отклик составил всего 0,002 нА, что пренебрежимомало.Рис. 2.13 Спектральная чувствительность ФЭУ Hamamatsu R6095.Для контроля и поддержания необходимого режима работы лампы,была создана экспериментальная камера (Рис.

2.13).Рис. 2.14 Экспериментальная камера.68Камерапредставляетсобойцилиндризнержавеющейстали(коэффициенты отражения ρ 254 ≈0,3, ρ 185 ≈0,1-0,15) диаметром 200 мм, вдольоси, которого устанавливалась лампа.Перпендикулярно к оси камеры врезанметаллический патрубок диаметром 90 мм, с помощью которого камераприсоединялась к входному окну вакуумного монохроматора.

У входа впатрубок была расположена щель шириной 3 мм и высотой 15 ммвыполняющая функцию полевой диафрагмы.Таким образом, на входную щель вакуумного монохроматора,выполняющую роль апертурной диафрагмы, попадает часть потока лампы.Пучок, прошедший входную щель, попадает на фокусирующий элемент(вогнутое зеркало), отражается от него на диспергирующий элемент,представляющийсобойплоскуюотражающуюамплитудную(непрофилированную) дифракционную решетку. Затем, изображение нужнойспектральной линии (определяется углом поворота дифракционной решетки)попадает на фокусирующий элемент – вогнутое зеркало, которое строит егоизображение в плоскости выходной щели. Равенство входной и выходнойщели монохроматора (300 мкм) обеспечивает максимальную разрешающуюспособность.Для предотвращения образования озона экспериментальная камера ипатрубок заполнялись азотом особой чистоты (99,996%).

Концентрация озонав камере контролировалась анализатором озона Циклон5.51.В экспериментальном стенде одновременно проводились измерениялиний 185 и 254 нм. На основе сечений поглощения резонансного излученияртути озоном (поглощением кислородом и азотом можно пренебречь), былорассчитано, что концентрация озона в камере должна быть не выше 10мг/м3.Данноезначениеопределяетсяпоглощениемлинии254 нм,обеспечивая относительную погрешность измерения, вызываемую этимфактором, не выше 1%.

При измерении линии 185 нм погрешность69оказывается еще меньше, т.к. сечение поглощение этой линии озоном на двапорядка ниже, чем аналогичное сечение для линии 254 нм.Для обеспечения возможности охлаждения лампы в ходе (при слишкомбольших разрядных токах) или между экспериментами в экспериментальнойкамере установлены вентиляторы. Для достижения больших значенийдавления паров ртути, на лампе, под местом расположения амальгамы,закрепляласьэлектрическаяспираль,дополнительноподогревавшаяамальгаму.Вприведеннойсхемеизмерения,детекторреагируетнаэнергетическую яркость линий 185 нм.

С помощью щелей выделялсянебольшойучастокизлучающейповерхностилампы.Элементом,выделяющим телесный угол, в пределах которого сила излучения постоянна,являлась дополнительная щель, играющая роль диафрагмы Гартмана,выделяющей в продольной плоскости исследуемый участок положительногостолба разряда.

Расчеты показывают, что для обеспечения погрешности в 1%необходимо ограничить ширину исследуемого участка размером 5,6 см. Этодостигалось использованием диафрагмы шириной 3 мм. Рассчитаннаясистематическая ошибка измерений интенсивности излучения лампы наданном стенде составила 4%.Измерения абсолютных значений мощности излучения линии 185 нмпроводились косвенным методом, посредством сравнения с калибровочнымиисточниками. В качестве калибровочного источника использовались ртутныелампы низкого давления. Для калибровки линии 185 нм использовалисьамальгамные лампы Heraeus NIQ 60/35 и NIQ 125/84.

Согласно каталогупроизводителя данные лампы имеют мощность излучения линии 185 нм 5 и10 Вт соответственно. Межэлектродное расстояние 383 и 793 ммсоответственно.При калибровке предполагается, что положительный столбразряда излучает одинаково по всей длине. Такое допущение оправдано, иподтверждаетсямноголетнейпрактикойизмеренийвлаборатории70НПО«ЛИТ» [36,58]. Измеряемый сигнал оказывается прямопропорционаленудельному потоку лампы в исследуемом участке спектра.Погрешностьизмеренияабсолютнойинтенсивностиизлученияопределялась погрешностью калибровочных измерений и не превышала 12%.Стоит отметить, что зачастую определение абсолютного значения потока УФизлучения не требуется, достаточно определить отношение двух потоков.

Внастоящей работе, интерес представляли не только абсолютные потоки, но исравнение потоков ламп при различных параметрах разряда. В таком случаепогрешность калибровки уже не влияет на точность измерений, поэтомупогрешность определения разности или отношения потоков не превышает4%.Для параллельного измерения потока линии 254 нм использовалсявмонтированный в стенку камеры и направленный на ось лампы датчик IS-4,снабженный черной оправой – диафрагмой Гартмана. Расчет потока линии254 нм по реакции приемника производился по методике косвенныхизмерений, на основе сопоставления реакции датчика на излученияисследуемой лампы с реакцией на излучение калиброванной трубчатойбактерицидной лампы аналогичного диаметра, установленной на местоисследуемой лампы.

Погрешность калибровки рабочего средства измерения вабсолютных единицах не превышает 10 % (согласно сертификату).Погрешность, возникающая от измерения к измерению, не превышает 1 %.В качестве стабилизированных источников тока с частотой 10 – 80 кГциспользовались электронные пускорегулирующие аппараты производстваАО «ЭНЭФ».ИспользованиеЭПРАобладаетрядомпреимуществпередтрадиционными электромагнитными балластами. Суммарный эффект отприменения ЭПРА заключается вповышении КПД преобразованияэлектрической энергии сети в электрическую мощность подаваемую налампу.