Рабочая среда лампы высокочастотного емкостного разряда

 

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении ламп высокочастотного разряда, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Технический результат - увеличение мощности и снижение напряжения горения лампы. Для этого в рабочей среде высокочастотной лампы, содержащей легкий буферный газ, тяжелый инертный газ криптон или ксенон и галогеноноситель, содержащий хлор, в качестве буферного газа используют гелий или неон, или их смесь в указанном соотношении.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении эффективных ламп высокочастотного емкостного разряда, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

Известны рабочие среды источников спонтанного излучения (ламп), в которых используются галоиды тяжелых инертных газов [1-5].

Известны рабочие среды ламп тлеющего [1-3] и высокочастотного [4-6] разрядов на галоидах инертных газов, причем рабочее давление во всех случаях не превышает 20 Торр.

Недостатком ламп тлеющего разряда [1-3] является короткое время жизни одной порции смеси за счет непосредственного контакта электродов лампы с хлоридами. Поэтому смесь необходимо прокачивать и заменять на новую и/или работать при более высоких общих давлениях, что может вызывать контракцию разряда. Кроме того, для [1,2] характерна большая разница между значениями напряжения зажигания и напряжения горения, что усложняет источники питания таких ламп и снижает их надежность.

Наиболее близкой по техническому решению, выбранной в качестве прототипа, является рабочая среда лампы высокочастотного емкостного разряда низкого давления на основе смеси тяжелого инртного газа и хлорсодержащего галогеноносителя (Xe+Cl₂(HCl), Kr+Cl₂(HCl)) [4].

Недостатками такой среды являются низкие мощности излучения и высокое напряжение горения разряда, что усложняет источники питания таких ламп.

Задачей изобретения является увеличение мощности ультрафиолетового излучения и уменьшение напряжения горения разряда.

Задача достигается тем, что в рабочую среду лампы емкостного высокочастотного разряда низкого давления за счет излучательного распада молекул RX*, где R - тяжелый инертный газ (Аr, Кr, Хе), а Х - галоген (F, Cl, Вr), содержащую тяжелый инертный газ аргон, криптон или ксенон и галогеноноситель, содержащий хлор или фтор, или бром, добавляется легкий инертный газ гелий или неон, или их смесь, причем давление легкого инертного газа или смесей легких инертных газов выбирается из соотношения 0.05 Р₂P₁0.4 P₂, где P₁ - давление добавляемых инертных газов, P₂ - общее давление смеси.

Процесс пробоя в безэлектродной лампе высокочастотного емкостного разряда является независимым от материала электрода, а электроны образуются только в газе и двигаются попеременно от одного электрода к другому. При этом концентрация и энергия электронов должна быть достаточной для возбуждения инертного газа, участвующего в гарпунной реакции образования эксиплексных молекул (например, молекул KrCl*). Одним из факторов, ограничивающих выход ультрафиолетового излучения, является термический перегрев плазмы разряда, в результате чего все меньшая доля молекул галогеноносителя участвует в гарпунной реакции, и разряд может контрагировать.

Полученный эффект увеличения выхода ультрафиолетового излучения обусловлен большей теплопроводностью гелия и неона или их смеси по отношению к теплопроводности ксенона или криптона, что увеличивает концетрацию колебательно девозбужденных молекул галогеноносителя в разряде и их вклад в образование эксиплексных молекул.

Примеры исследования работы лампы емкостного разряда с использованием предлагаемой рабочей среды Возбуждение рабочей среды осуществлялось в цилиндрической кварцевой трубке с внутренним диаметром 3.8 мм и длиной 28 см, у торцов которой на поверхность стекла накладывалась пара кольцевых электродов площадью 66 см². Один электрод заземлялся, а ко второму подводилось импульсное напряжение. Пропускание кварца для испускаемого лампой излучения для длин волн 308 (В-->Х переход молекулы ХеСl*) и 222 (В-->Х переход молекулы КrСl*) нм составляло 83 и 72% соответственно. Внутренняя полость трубы посредством стеклянного крана сообщалась с вакуумным постом и системой напуска газов.

Источник питания лампы высокочастотного емкостного разряда позволял создавать на электродах лампы как разнополярные, так и однополярные импульсы напряжения амплитудой от 1 до 6 кВ, частотой от 40 кГц и выше. Измерение интенсивности излучения в требуемом спектральном диапазоне производилось калиброванным фотодиодом ФЭК-22 СПУ и набором светофильтров с известными коэффициентами пропускания в различных спектральных диапазонах. Описанные ниже результаты распространяются на широкий диапазон частот импульсов питания от десятков до сотен килогерц, пока будут работать указанные механизмы, увеличивающие выход излучения.

В ходе эксперимента были определены интенсивности излучения в области <250 нм (для KrCl-лампы) и <380 нм (для XeCl-лампы) при работе лампы с рабочими средами Ne-Kr-Cl₂, He-Kr-Cl₂, Ne-Xe-Cl₂, Не-Хе-Сl₂ при различных парциальных давлениях гелия и ксенона в процентном отношении к общему давлению смеси от 1-3 до 80%.

При возбуждении синусоидальным напряжением бинарной смеси Xe/Cl₂=24/1 при общем давлении 12 Торр напряжение горения и мощность спонтанного ультрафиолетового излучения ХеСl* молекулы составили 3.2 кВ и 4 Вт. Тройные смеси с Не, в которых процент гелия составил 24 и 39% понизили напряжение горения до 3 и 2.8 кВ и увеличили мощность излучения до 5.5 и 6.5 Вт соответственно. Дальнейшее увеличение процентного содержания Не в смеси хотя и снижает напряжение горения, но является нецелесообразным по следующим двум причинам. Во-первых, нарушается сравнительно однородное продольное распределение интенсивности излучения - наиболее интенсивно начинают светить приэлектродные области, а интенсивность положительного столба разряда падает. Это не только снижает выход излучения, но и затрудняет использование ламп для приложений, в которых требуется однородное экспонирование подложек. Во-вторых, уменьшается доля галогеноносителя, что сокращает срок службы смеси [5, 6], ограничивая срок службы лампы.

При возбуждении синусоидальным напряжением бинарной смеси Кr/Сl₂=6/1 при общем давлении 21 Торр мощность спонтанного ультрафиолетового излучения КrСl* молекулы и напряжение горения составили 0.97 Вт и 4.8 кВ. Тройная смесь с Ne, в которой процент неона составил 40% понизила напряжение горения до 4 кВ и увеличила мощность излучения до 1.4 Вт. Дальнейшее увеличение процентного содержания Ne вплоть до 72% не увеличивало выход ультрафиолетового излучения. А поскольку доля галогеноносителя при этом уменьшилась, это должно будет заметно уменьшить ресурс лампы.

При возбуждении однополярными импульсами напряжения (частота следования 55 кГц) бинарной смеси Xe/Cl₂= 24/1 при общем давлении 3 Торр мощность спонтанного ультрафиолетового XeCl* молекулы излучения и напряжение горения составили 0.85 Вт и 3.4 кВ. Тройная смесь с Ne, в которой процент неона составил 32% при том же соотношении Хе/Сl₂, имела мощность излучения 1.1 Вт и напряжение горения 3.35 кВ.

Таким образом, во всех приведенных случаях добавка легкого инертного газа способствует увеличению средней мощности спонтанного ультрафиолетового излучения и уменьшает напряжение горения разряда.

Аналогичные результаты могут быть получены при использовании бром- и фторсодержащих галогеноносителей.

Литература 1. Головицкий А. П. Возможности создания эффективных ультрафиолетовых излучателей на основе непрерывного тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов. // Письма в ЖТФ. 1992. Том 18. Вып.8. С. 73-76.

2. Головицкий А.П., Кан С.Н. Характеристики излучения эксимерных УФ-континуумов тлеющего разряда низкого давления (ТРНД). // Оптика и спектроскопия. 1993. Том 75. 3. С. 604-609.

3. Рабочая среда лампы тлеющего разряда низкого давления./Панченко А.Н., Соснин В.Ф., Тарасенко В.Ф. Патент RU 2089962. Заявка 95121858.

4. Ломаев М.И., Скакун B.C., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В. // Письма в ЖТФ. 1999. Том 25. вып.21. С.27-32.

5. Ерофеев М.В., Скакун B.C., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Чернов Е.Б. // Оптика атмосферы и океана. 2000. Том 13. 3. С. 312-315.

6. Ерофеев М. В. , Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Панченко А.Н. Факторы, влияющие на время жизни хлорсодержащих эксиламп. // Труды V Всероссийской школы-семинара "Люминесценция и сопутствующие явления", Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2000. - 256 с. (С. 143-146).

Формула изобретения

Рабочая среда лампы емкостного высокочастотного разряда низкого давления, содержащая тяжелый инертный газ аргон, криптон или ксенон и галогеноноситель, содержащий хлор, или фтор, или бром, отличающаяся тем, что смесь дополнительно содержит легкий инертный газ гелий, или неон, или их смесь, при этом давление легкого инертного газа или смесей легких инертных газов выбирается из соотношения 0,05 Р₂Р₁0,4 Р₂, где Р₁ - давление добавляемых инертных газов, Р₂ - общее давление смеси.