WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 12 04;07 Планарная XeCl эксилампа с накачкой тлеющим разрядом низкого давления © Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия (Поступило в Редакцию 30 июля 1996 г.) Экспериментально исследованы энергетические характеристики XeCl эксиплексной лампы планарной конструкции, накачиваемой тлеющим разрядом низкого давления. При использовании разрядного промежутка длинной 2 cm и смеси Xe–Cl2 в интервале длин волн 200–380 nm получены средняя мощность излучения до 20 mW и эффективность 0.4%, при этом полная эффективность излучения в угол 4 превышала 4%. Показано, что при увеличении рабочего давления и малых токах разряда можно создавать ”точечные” источники излучения.

1. Тлеющий разряд низкого давления [1–4] привлекает 2. Конструкция излучателя эксилампы схематично к себе внимание как альтернатива другим [5,6], более показана на рис. 1. Разряд зажигался в промежутке сложным в реализации способам накачки источников между двумя электродами, один из которых, сплошной, спонтанного УФ излучения. Выбор подходящей экси- изготавливался из латуни, а другой, сетчатый — из мерной или эксиплексной молекулы позволяет получать нержавеющей стали с геометрической прозрачностью узкополосную эмиссию в диапазоне 100–360 nm. Так, сетки 66%. Диаметры сплошного и сетчатого элекв [1] в B-X-переходах молекул KrCl, KrF, XeCl и тродов составляли 7.0 cm. Межэлектродный зазор мог XeF получена эффективность излучения до 1%, а в раизменяться в пределах 1–3 cm. Для вывода излучения ботах [2,3] в тлеющем разряде низкого давления в смесях использовалось кварцевое окно толщиной 1 cm, которое Kr–Cl2 и Xe–Cl2 достигнута эффективность 12%. Автоимело пропускание на длинах волн 350 и 200 nm соответры [4] разработали коаксиальную эксилампу, на которой ственно 93 и 80%. Обычно сетчатый электрод являлся при увеличении длины положительного столба тлеющего анодом, а сплошной — катодом. На сплошной электрод разряда была получена средняя мощность излучения в подавалось высокое напряжение, а сетчатый заземлялся.

смеси Xe–Cl2 более 100 W. Продемонстрированные в При инверсии полярности напряжения на электродах этих публикациях свойства эксиламп с накачкой тлеразряд становился неустойчивым.

ющим разрядом свидетельствуют об их большой перВ эксилампе использовались смеси ксенона с Cl2 иксеспективности. Весьма важным является то, что данные нона с HCl при общем давлении до 15 Torr. Исследуемые источники спонтанного излучения существенно проще смеси предварительно готовились в смесителе.

эксиламп, накачиваемых барьерным и микроволновыми Для измерения разрядного тока (I) последовательно разрядами [5,6]. Для многочисленных приложений треизлучателю включался миллиамперметр. Разрядный ток буются УФ и ВУФ (вакуумные) источники различных варьировался в пределах 1–10 mA. Мощность накачки размеров и конструкций (цилиндрические, коаксиальные, обычно не превышала 10 W. Большие мощности привопланарные и т. п.) [1–9]. Однако до настоящего времени не было работ, посвященных созданию планарных эксиламп, накачиваемых тлеющим разрядом низкого давления, тогда как планарные эксилампы с другими способами накачки уже используются для фотохимических приложений [6,7]. Например, упоминавшийся выше барьерный разряд может быть сравнительно просто и без ущерба для рабочих параметров эксилампы организован как в цилиндрической конструкции излучателя, так и в планарной [6,7]. Для тлеющего разряда, эффективность которого определяется главным образом излучением из положительного столба [2–4], изменение геометрии излучателя должно существенно влиять на параметры эксилампы.

В данной работе приводятся результаты эксперименРис. 1. Планарная эксилампа с накачкой тлеющим разрядом.

тальных исследований планарной эксилампы на смеси 1 — сетчатый электрод, 2 — сплошной электрод, 3 — буферXe–Cl2(HCl), накачиваемой тлеющим разрядом постоянный объем, 4 — выходное окно, 5 — диэлектрик, 6 — штуцер ного тока.

для напуска рабочей смеси.

44 Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко Рис. 2. Характерные площади сечения разряда на аноде Sa и катоде Sk в смеси Xe : Cl2 = 3 : 1. a — в зависимости от общего давления смеси (I = 2.5mA); b — в зависимости от тока разряда (p = 5.7Torr).

дили к перегреву латунного электрода и быстрому уходу так и ”точечную” излучающую область диаметром около галогеноносителя из смеси, что лишь отчасти компен- 1 mm. В традиционном варианте тлеющего разряда, сировалось сравнительно большим объемом разрядной зажигаемого в длинных трубках при больших межкамеры. электродных зазорах в несколько десятков сантиметров, Мощность излучения измерялась с помощью фото- на существование положительного столба значительное диода ФЭК22-СПУ, который калибровался излучением влияние оказывает наличие стенок. В планарной эксиXeCl лазера, а необходимый спектральный диапазон лампе боковые стенки удалены от области разряда на выделялся фильтрами УФС. расстояние несколько сантиметров, тем не менее в этих 3. Проведенные измерения показали, что после про- условиях формируется стабильный тлеющий разряд, что и позволяет получать малые диаметры положительного боя рабочей смеси между электродами устанавливается столба. Конечно, используя трубки малого диаметра, напряжение, не превышающее 1 kV. Картина свечения можно также создавать ”точечные” источники света.

разряда зависит от давления смеси, ее состава и тока.

Однако, применяя эксилампу планарной геометрии при Например, при токе 2.5 mA в смеси Xe : Cl2 = 6 : равных межэлектродных промежутках, можно работать и межэлектродном промежутке 2 cm изменение общего давления p приводило к следующим изменениям кар- при более низких напряжениях. С другой стороны, увеличивая диаметр электродов, можно при увеличении тины свечения газоразрядной плазмы. При p > 11 Torr разряд локально привязывался к краям электродов и фак- тока разряда получать пропорциональное увеличение диаметра области, занимаемой положительным столбом, тически не был объемным. Уменьшение давления смеси которая вносит основной вклад в излучение, и создавать до 5.7 Torr приводит к тому, что прикатодное свечение планарные эксилампы большого диаметра. На рис. 2, b покрывает почти весь сплошной электрод, а в объеме показано влияние тока разряда на диаметры светящейся вблизи анода формируется устойчивый положительный области плазмы у обоих электродов. При токе более столб, сечение которого на сетке имеет круглую форму.

Дальнейшее снижение давления приводит к постепенно- 10 mA из-за перегрева катода в лампе данной конструкму увеличению диаметра положительного столба, раз- ции (дополнительное охлаждение сплошного электрода не было предусмотрено) эксилампа включалась на коротмыванию четких границ его свечения и снижению его интенсивности. Это связано с укорачиванием положи- кое время. При токе разряда 12 mA поверхность катода, обращенная к сетчатому электроду, уже практически тельного столба, а затем и с полным его исчезновением полностью была покрыта свечением, поэтому дальнейпри p < 1 Torr. При уменьшении давления толщина ший рост тока не отражался на величине Sk (рис. 2, b).

прикатодного свечения все более и более увеличивается и может достигать 1–1.5 cm, теряя в интенсивности. Наибольшая средняя мощность излучения на Характерные размеры сечения пятен на аноде Sa икатоде 308 nm была получена в смесях с Cl2 и Sk, для рассмотренного выше случая, представлены на составляла при токе 10 mA и общем давлении p = 8Torr рисунке 2, a. Аналогичные зависимости были получены 20 mW. Эффективность по вложенной энергии была для других смесей и разрядных токов. Таким образом, невелика — примерно 0.4%. Однако, если оценить при коротком разрядном промежутке и выборе соответ- полную эффективность свечения в УФ диапазоне в ствующих параметров можно получать на сетке как до- угол 4, считая, что световой поток не ограничивался вольно широкий срез положительного стола (до 5 cm2), элементами лампы (ослабление на сетчатом электроде, Журнал технической физики, 1997, том 67, № Планарная XeCl эксилампа с накачкой тлеющим разрядом низкого давления В нормальном тлеющем разряде в смесях с Cl2 образование эксиплекса обеспечивается преимущественно за счет гарпунной реакции [2–4] Xe + Cl2 XeCl + Cl. (2) На этой стадии смеси с Cl2 всегда дают, согласно [2–4,10], в несколько раз большие мощности и эф фективности по сравнению со смесями с HCl. В нашем же случае, обобщив сказанное, имеем постоянное, хотя и небольшое, превышение средней мощности излучения смесей с хлором над смесями с хлороводородом, испытанных в сходных условиях; картину свечения, характерную для нормального тлеющего разряда; значения E/p > 30 V/cm · Torr, что больше соответствует слабоРис. 3. Зависимость средней мощности излучения планарной эксилампы с накачкой непрерывным тлеющим разрядом от точной стадии тлеющего разряда. Отсюда можно предмощности. p = 5.7 Torr; 1 — смесь Xe : Cl2 = 6 : 1, 2 —смесь положить, что в реализованных условиях проявляется Xe : HCl = 6 : 1.

смешанное действие обеих реакций (1) и (2).

В работе [12] было показано, что в области давлений 0.5–2.0 Torr в тлеющем разряде сохраняются высокие КПД излучения молекул XeCl 10%, если им сопоглощение сплошного электрода, уход излучения в ответствуют оптимальные удельные мощности накачки стороны, диафрагмирование выходным окном), то ее 0.3W/cm3 · Torr. Оценка для того же, что и в [12], значение оказывается на порядок большим, достигая в соотношения компонентов смеси Xe : Cl = 3 : 1 значения лучшем случае 4%.

удельной мощности накачки в настоящей работе, когда Замена HCl на Cl2 не вела к существенному увелиобщее давление p = 2 Torr, дает величину, близкую к чению средней мощности излучения (рис. 3). В [10] 1W/cm3·Torr и, следовательно, далекую от оптимальной.

показано, что одинаковые уровни мощности излучения Это также может влиять на величину эффективности в смесях с HCl и Cl2 характерны для так называемой свечения ( 4.2%), полученную из опыта.

слаботочной стадии тлеющего разряда, при которой на4. Итак, в работе сообщается о создании планарной блюдается однородное свечение всего межэлектродного XeCl эксиплексной лампы с накачкой непрерывным тлеобъема эксилампы без заметного падения его интенсивющим разрядом низкого давления. В отличие от условий ности вблизи катода. Между тем в нашем опыте форма накачки, используемых в [1–4,10,12] для цилиндрических свечения была уже далекой от описанной только что. Как и коаксиальных эксиламп, для планарной эксилампы отмечалось в [10], для слаботочной стадии характерны характерны более высокие значения параметра E/p и высокие значения E/p 30 V/cm·Torr на промежутке. В малая длина положительного столба. При использовании данных условиях, в которых существовала сравнительно разрядного промежутка длиной 2 cm в интервале длин короткая (< 1cm) область положительного столба, волн 200–380 nm получена средняя мощность излучения отношение E/p всегда было выше 30 V/cm · Torr. Это до 20 mW. Эффективность УФ излучения в угол можно связать с малой длиной разрядного промежутка, достигала 4%. Отмечены особенности горения тлеющего большую часть длины которого занимает катодное паде разряда в смесях инертного газа с галогеноносителями ние потенциала. Как показали наши измерения распреHCl и Cl2 в планарной геометрии излучателя без боковых деления потенциала вдоль цилиндрической эксилампы стенок.

длиной 50 cm и диаметром 4 cm, к прикатодной области Авторы благодарят А.С. Кузьмина за помощь при размером не более 5 cm приложено порядка половины проведении экспериментов.

напряжения. Основываясь на примерно одинаковых эффективностях излучения молекул XeCl с галагеноносиДанная работа поддержана Российским фондом фундателями Cl2 и HCl и наличии на рарядном промежутке ментальных исследований (Проект № 96-02-16668-a).

довольно высокого напряжения, можно предположить следующее.

Список литературы В рождении электронов в плазме разряда при высоких E/p значительную роль играет прямая ионизация [1] Taylor R.S., Loepold K.E., Tan K.O. // Appl. Phys. Lett. 1991.

инертного газа электронным ударом [11], а образование Vol. 59. N 5. P. 525–527.

эксиплекса XeCl должно происходить и в процессе ион[2] Головицкий А.П. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 8.

ионной рекомбинации С. 73–76.

[3] Головицкий А.П., Кан В.С. // Опт. и спектр. 1993. Т. 75.

Xe+(Xe+) +Cl XeCl +(Xe), (1) Вып. 3. С. 604–609.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 46 Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко [4] Панченко А.Н., Скакун В.С., Соснин Э.А. и др. // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21. Вып. 20. С. 77–80.

[5] Kumagai H., Obara M. // Appl. Phys. Lett. 1989. Vol. 55.

N 15. P. 1583–1584.

[6] Kogelschats U. // Pure & Appl. Chem. 1990. Vol. 62. N 9.

P. 1667–1674.

[7] Kessler F., Bauer G.H. // Appl. Surf. Sci. 1992. Vol. 54. P. 430– 434.

[8] Fominski V.Yu., Markeev A.M., Naumenko O.I. et al. // Appl.

Surf. Sci. 1994. Vol. 78. P. 437–443.

[9] Кузнецов А.А., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф. и др. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 5. С. 1–5.

[10] Ломаев М.И., Панченко А.Н., Скакун В.С. идр. // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 2. С. 199–206.

[11] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

592 с.

[12] Ломаев М.И., Полякевич А.С., Тарасенко В.Ф. // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 2. С. 207–210.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.