Источник излучения

Авторы патента:

H01J1/04 - Электрические газоразрядные и вакуумные электронные приборы и газоразрядные осветительные лампы (искровые разрядники H01T; дуговые лампы с расходуемыми электродами H05B; ускорители элементарных частиц H05H)

Полезная модель относится к газоразрядным источникам излучения на основе барьерного разряда и может быть использована в различных областях науки и техники, где необходимо ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение, например, в фотохимии, фотобиологии, фотомедицине, микроэлектронике. Источник излучения включает в себя разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, заземленный электрод является перфорированным, расположен на поверхности внешней трубки, высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы и выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив заземленного электрода, при этом ориентация и размеры электродов подчиняются соотношениям:

0<<180°,

<180°,

где: - угол отклонения края электрода от нормали, проходящей через поперечное сечение колбы; - угол, в котором располагаются внешний и внутренний электроды. Технический результат: при заданных условиях для углов и происходит интенсификация конвекции, что увеличивает ресурс и энергетическую светимость прибора.

Известные источники излучения, на основе барьерного разряда предназначенные для облучения, выполнены в форме колбы коаксиального типа, заполненной смесями инертных газов и галогенов или чистыми инертными газами.

Конструктивно лампы барьерного разряда представляют собой колбы из диэлектрического, прозрачного на рабочей длине волны материала, на поверхности которых расположены металлические электроды, к которым прикладывается импульсное или синусоидальное напряжение с частотами от нескольких Гц до нескольких МГц. Конструкции этих устройств могут быть различными (коаксиальными, планарными, цилиндрическими) в зависимости от давления рабочей среды, амплитуды и частоты прикладываемого напряжения. Пробой осуществляется между диэлектрическими барьерами, создавая неравновесную плазму, энергия электронов которой может достигать нескольких электрон-вольт, в то время как характерная температура тяжелых частиц сопоставима с температурой диэлектрических барьеров и не превышает, как правило, 100 C. Использование барьерного разряда обеспечивает чистоту спектров излучения, долговечность рабочей среды, электробезопасность эксплуатации (что связано с небольшими величинами тока - до десятка мА). Ресурс работы этих устройств зависит от давления рабочей смеси газов, конструктивного исполнения, режима ввода энергии в газовую среду и режима охлаждения [1].

Известен источник излучения, который содержит две коаксиально установленные, цилиндрические трубки из диэлектрика, пространство между трубками заполнено газовой средой, металлические электроды, один из которых - высоковольтный - сплошной и расположен во внутренней трубке, а второй - перфорирован и размещен на внешней поверхности внешней трубки, источник питания [2]. Для повышения ресурса работы газовой смеси и увеличения плотности мощности излучения источник находится в ванне с хладагентом, прозрачным для формируемого излучения. Такая система конструктивно сложна за счет элементов сбора излучения и элементов охлаждения.

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 [3, 4].

Для увеличения срока службы указанных приборов применяются различные способы охлаждения:

Прокачка газовой смеси через рабочую зону [5] ведет к высокому расходу газов, как правило, дорогостоящих.

Применяется охлаждение внутренней трубки через помещенный в нее теплообменник с развитой поверхностью и имеющий хороший тепловой контакт с поверхностью кварцевой трубки [6]. 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 жидкого хладагента, который может контактировать непосредственно со стенками колбы или с металлическим радиатором, в который колба помещается [7]. 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).

Известны источники излучения с воздушным охлаждением, например [8]. Он 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. При использовании протяженных колб 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 и высокую энергетическую светимость, одновременно, не прибегая к внешнему форсированному охлаждению жидкостью или воздухом и усложнению конструкции.

Задачей полезной модели является упрощение конструкции, отказ от принудительного охлаждения источника излучения на основе барьерного разряда и, одновременно, сохранение его ресурса и энергетической светимости.

Техническим результатом является охлаждение за счет конвекции в упрощенной конструкции лампы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в источнике излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащим разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, заземленный электрод является перфорированным, расположен на поверхности внешней трубки, высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы и выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив сегмента заземленного электрода, согласно техническому решению, ориентация и размеры электродов подчиняются соотношениям:

где - угол отклонения края электрода от нормали, проходящей через поперечное сечение колбы; - угол, в котором располагаются внешний и внутренний электроды.

Указанные размеры и ориентация электродов обеспечивают максимальную скорость конвекции газовой среды (при прочих равных условиях), что, в конечном счете, обеспечивает конструкции простоту в сравнении с аналогами, не требует применения внешнего принудительного охлаждения и обеспечивает повышенные величины энергетической светимости 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 2 выполнена из материала прозрачного на рабочей длине волны. Колба заполнена рабочей средой. Внешний электрод 3 - перфорированный - размещен на внешней поверхности. Во внутренней трубке 1 расположен высоковольтный электрод 4. Оба электрода являются сегментированными, расположение и размеры которых определяются соотношениями <180°, 0<<180°, где - угол, в котором располагаются сегменты внешний и внутренний электроды; - угол отклонения края электрода от нормали, проходящей через сечение колбы (т.е. от оси z). К электродам 3 и 4 подключен источник питания 6. В результате трубки и электроды образуют газоразрядный промежуток 5.

Устройство работает следующим образом. При подаче на электроды 3, 4 импульса напряжения от источника питания 6 происходит зарядка внутренних областей стенок колбы, расположенных под электродами и пробой между газоразрядного промежутка 5. Эта область является активной (А), а зона, где разряд не горит - буферной (Б). Затем в рабочей среде в промежутке 5 зажигается газовый разряд. Излучение выходит наружу колбы через внешний электрод 3. За счет конвекции разогретая газовая смесь движется вверх, попадая в буферное плечо из активного, охлаждается и вновь поступает в активное плечо. Соотношения на углы и отвечают условиям, в которых скорость конвекции максимальна для различных размеров и ориентации электродов. Условие на угол (5 определяет конвекцию, но также на тот факт, что для обеспечения облучения какого-либо объекта требуется вывод излучения в одну сторону, а при >180° часть излучения, которая выводится через края внешнего электрода, не достигает облучаемого объекта, либо имеет очень низкую интенсивность (что соответствует непродуктивным затратам энергии).

Экспериментальные исследования заявляемого источника излучения показали следующее. Колба была выполнена из спаянных на торцах кварцевых трубок (марка кварца ТКг, ООО «Технокварц») 1 и 2 с известным пропусканием в области ультрафиолетового излучения. Геометрические параметры колбы таковы: внешние диаметры трубок 43 и 24 мм; величина газоразрядного промежутка 7.7 мм; активная длина лампы 120 мм. Колба заполнялась смесью Xe:cl₂ при давлениях до 200 Торр. Разряд зажигался в промежутке 5 между электродами 3 и 4 при подаче на них импульсного напряжения (импульсы напряжения имеют форму разнополярных меандров) амплитудой до 4 кВ, длительностью импульса на полувысоте 1.2 мкс и частотой повторения импульсов f от 15 до 90 кГц. Для управления конвекций использовались разные рабочие давления (p), энерговклады в среду (P_in), частоты f, ориентация и ширина электродов (углы и ). Охлаждение колбы во время испытаний не применялось.

Например, проведены испытания при фиксированной величине =180° и различных величинах в смеси Xe:Cl₂=200:1, давлении смеси 135 Торр и одинаковых величинах рассеиваемой в плазме мощности. В этих условиях при =-90°, 0° и 90° получены величины энергетической светимости излучения 7.2, 18.4 и 16.1 мВт/см², соответственно. Т.е. при работе в условиях, нарушающих соотношения для углов и получены в 2.2÷2.5 раза меньшие величины энергетической светимости. Это объясняется нарушением непрерывной конвекции газовой смеси, которая не выносится конвективно из активной зоны и перегревается. Это снижает интенсивность излучения и увеличивает скорость реакции перегретого газа со стенками, что, в свою очередь, ведет деградации смеси и снижению ресурса работы устройства.

Еще пример. Проведены испытания при фиксированной величине =106° и различных величинах в смеси Xe:Cl₂=200:1, давлении смеси 135 Торр и одинаковых величинах рассеиваемой в плазме мощности. В этих условиях При =-53°, 37° и 127° получены величины энергетической светимости излучения 6.3, 14 и 13 мВт/см², соответственно. Т.е. при работе в условиях, нарушающих соотношения для углов и получены примерно в 2 раза меньшие величины энергетической светимости. С ростом рассеиваемой в плазме мощности это соотношение увеличивается, что также связано с увеличением скорости 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 простой конструкции, не требующей принудительного охлаждения, при заданных условиях для углов и происходит интенсификация конвекции, что увеличивает ресурс и энергетическую светимость прибора.

Источник излучения обеспечивает отказ от принудительного охлаждения и энергетической светимости.

Используемая литература

1. Бойченко A.M., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. - Томск: STT, 2011. - 512 с.

2. von Arx Christoph. Von Bestrahlungseinrichtung mit einem Hochleistungsstrahler // Patent EP 0517929 A1.

3. Patent EP 0517929 A1., опубл. 16.12.1992; Esrom H., Kogelschatz U. Modification of surfaces with new excimer UV sources // Thin Solid Films. 1992. V. 218. P. 231-246.

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

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

6. Патент RU 2310947 C1, опубл. 20.11.2007

7. Patent US 5198717 A, опубл. 13.03.1993.

8. Патент RU 2271590 C2, опубл. 10.03.2007.

Источник излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, заземленный электрод является перфорированным, расположен на поверхности внешней трубки, высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы и выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив заземленного электрода, отличающийся тем, что ориентация и размеры электродов подчиняются соотношениям:

0<<180°,<180°,