WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7 04;07;12 О формировании импульсов наносекундной длительности в XeBr-эксилампе барьерного разряда © С.М. Авдеев, И.Д. Костыря, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: badik@loi.hcei.tsc.ru (Поступило в Редакцию 9 августа 2005 г.) Приведены результаты исследований коаксиальных двухбарьерных эксиламп на молекулах XeBr ( 282 nm) с малой длительностью импульса излучения. При возбуждении рабочей смеси высоковольтным импульсным разрядом наносекундной длительности в смеси Xe/Br2 = 70/1 при общем давлении 1 atm получена импульсная мощность излучения 100 kW и длительность импульса излучения на полувысоте 4.5 ns.

Показано, что при малых зазорах между барьерами могут быть получены длительности импульса излучения на полувысоте 20 ns при частоте следования импульсов до 200 kHz.

PACS: 42.72.-g Введение своей работы импульсного источника питания и обеспечивающая импульсы излучения с частотой 1-50 kHz и Эксилампа — это газоразрядный источник ультрафидлительностью 100-300 ns.

олетового и вакуумного ультрафиолетового излучения Чтобы увеличить срок службы рабочей смеси, для на основе неравновесного спонтанного излучения экполучения коротких импульсов излучения в [11] было симерных или эксиплексных молекул [1–5]. Эксилампы предложено использовать безэлектродные лампы емобладают сравнительно узким спектром излучения, что костного разряда различной геометрии. Максимальное отличает их от люминесцентных и тепловых источников значение импульсной плотности мощности излучения спонтанного ультрафиолетового и вакуумного ультрафиKrCl-эксилампы составило 300 W/cm2. В результате к олетового излучения. В последние годы ставится задача настоящему времени не были получены длительности создания эксиламп, имеющих длительность импульса импульса излучения с (0.5) 50 ns при величине имизлучения на полувысоте (0.5) 10 ns и менее. Кроме пульсной плотности мощности в десятки–сотни килотого, при короткой длительности импульса излучения ватт. Кроме того, в большинстве иследованных случаодновременно требуется обеспечение высокой импульсев не обеспечивается высокий срок службы рабочей ной и/или средней мощности излучения. Такие источсмеси.

ники могут найти широкое применение в различных Цель настоящей работы — изучить возможность сообластях, в частности, при создании диагностической кращения длительности импульса излучения XeBr-эксиаппаратуры.

лампы до единиц наносекунд. Работа продолжает наши Известны работы, в которых описаны эксилампы с исследования, начатые в [6,9,11,12].

длительностью импульса в десятки наносекунд. Так, Для проведения исследований была выбрана двухбав [6] была создана эксилампа, возбуждаемая объемрьерная коаксиальная эксилампа. Подобные эксилампы ным рязрядом с искровой предыонизацией промежутка.

могут длительное время работать в отпаянном режиПри диаметре выходного пучка 10 cm были получены ме [4]. Известно, что устройства барьерного разряда значения импульсной плотности мощности 2, 0.5 и позволяют в широких пределах управлять величинами 1 kW/cm2 на 308, 222 и 350(250) nm соответственсредней энергии и концентрацией электронов в разрядно и (0.5) 50-200 ns. В целях увеличения ярконом промежутке за счет изменения начальной напрясти импульсного источника света в [7] использовалась женности электрического поля на промежутке и выбора L-образная конструкция колбы. В [8], чтобы повысить материала диэлектрического барьера [2]. Длительность импульсную мощность эксиламп, был использован тригимпульса излучения определяется давлением и составом герный продольный разряд. Однако длительность имрабочей смеси, а также длительностью переднего фронта пульсов излучения при общем давлении смеси 1 atm составляла в [8] 0.7-0.9 µs. В [9] нами была описа- импульса возбуждения, причем максимальные мощности излучения достигаются при формировании диффузных на однобарьерная импульсная KrCl-эксилампа, которая конусообразных микроразрядов [13]. Подача импульса в лучших условиях обеспечивала (0.5) =107 ns, и напряжения с крутым фронтом нарастания облегчает удельную импульсную мощность 1.1 kW/cm2. Мощность лампы падала в два раза после 103 импульсов. В рабо- формирование однородного разряда, но требует сущете [10] предложена импульсно-периодическая эксилампа ственного увеличения амплитуды импульса напряжения.

объемного разряда на смеси Ar-Cl2, не требующая для Из предварительного анализа известных работ [2–13], 60 С.М. Авдеев, И.Д. Костыря, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко Параметры низковольтных источников напряжения Параметр Источник 1 Источник Полярность Однополярный Разнополярный Амплитуда импульса напряжения, kV 6 Частота следования импульсов напряжения, kHz 93 Форма импульса Меандр Меандр можно было следующим образом сформулировать усло- величину промежутка между внешней и внутренней вия, в которых реализуются наносекундные длительно- стенкой 6 mm.

сти импульса излучения: Второй тип генераторов обеспечивал импульсно-пе— наносекундная длительность импульса возбужде- риодическое напряжение с частотой следования имния (времени протекания разрядного тока через проме- пульсов до 200 kHz (таблица). Длительность переднего жуток); фронта импульса напряжения этих относительно низковольтных генераторов составляла десятки ns. Малая — высокое давление рабочей смеси и, возможно, длительность импульса возбуждения обеспечивалась за высокая концентрация молекул галогена;

счет быстрой зарядки емкости барьеров в эксилампе, а — формирование в разрядном промежутке диффузных формирование однородного разряда — за счет уменьконусообразных микроразрядов или объемного разряда.

шения межэлектродного зазора и увеличения частоты следования импульсов.

Экспериментальная аппаратура Колбы эксиламп имели разные величины промежутка между внешней и внутренней стенкой d12 и быи методики ли выполнены из кварца (Fused Quartz, Type 214, General Electric), имеющего пропускание на рабочей Для выполнения этих условий были выбраны два типа длине волны 283 nm 90%. Пространство в колбе генераторов.

заполнялось газовой средой, состоящей из ксенона и Первый формировал импульсы напряжения с амплиброма. Спектр излучения регистрировали спектрометтудой до 130 kV при длительности импульса на сором StellarNet EPP2000-C25. Регистрацию импульса изгласованной нагрузке 2 ns, что обеспечивало быстрый лучения проводили с помощью вакуумного фотодиода пробой рабочей смеси на фронте импульса напряжения.

ФЭК-22 СПУ с известной спектральной чувствительУпрощенная схема этого высоковольтного генератора ностью, сигнал с которого подавался на двулучевой показана на рис. 1. В схеме используется разрядникосциллограф TDS-220. В ряде случаев при помощи фотообостритель 5, рассчитанный на пробой при 150 kV. Он приемника Hamamatsu H8025-222 измерялась плотность включен последовательно с колбой эксилампы (7-10).

мощности излучения.

Импульс высокого напряжения с длительностью фронта 1 ns формируется на сопротивления 6, шунтирующем эксилампу при разряде обострительной емРезультаты и их обсуждение кости 4 после пробоя газового промежутка 8 эксилампы. Эксилампа имеет коаксиальную конструкцию и Барьерный разряд в случае минимальных разрядных промежутков Для экспериментального моделирования этой ситуации нами была использована коаксиальная колба с d12 = 2.4 ± 0.3 mm. Лампа возбуждалась от низковольтных генераторов. Таким образом, в данной лампе мог быть реализован барьерный разряд при давлении до 1 atm и напряженности поля на промежутке до нескольких kV/mm.

Типичный спектр излучения (рис. 2) содержит полосы B-X (с длинным коротковолновым крылом), D-X, Рис. 1. Схема короткоимпульсный XeBr-эксилампы барьерC-A-переходов с максимумами на 282, 225, 300 nm ного разряда: 1 — источник постоянного напряжения, 2 — соответственно. Вклад D-X и C-A-переходов с ронакопительная емкость, 3 — импульсный трансформатор, 4 — стом давления смеси (при фиксированном отношении обострительная емкость, 5 — разрядник-обостритель, 6 — [Xe]/[Br2] в смеси) уменьшается. Кроме того, с росрезистор, 7 — колба эксилампы барьерного разряда, 8 — том давления уменьшается спектральная полуширина разрядный промежуток, 9 — внутренний сплошной электрод, 10 — внешний перфорированный электрод. B-X-перехода (282 nm).

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. О формировании импульсов наносекундной длительности в XeBr-эксилампе барьерного разряда Основной целью наших исследований было определение условий, в которых длительность импульса излучения на полувысоте (0.5) минимальна. Этого добивались, варьируя долю брома в рабочей смеси и общее давление.

Форма импульсов излучения существенно отличалась в зависимости от типа источника. Для источника 1 за каждый полупериод напряжения могли высвечиваться от одного до трех световых импульсов, и их число зависело от давления в колбе. При использовании источника при высоких давлениях удалось получить моноимпульсы за каждый полупериод напряжения либо сдвоенные импульсы, причем интенсивность 2-го импульса в пачке была существенно меньше первого. Кроме того, источник 2 обеспечивал частоту следования импульсов излучения 200 kHz.

Рис. 4. Временной ход излучения (1), тока (2) и напряжения (3) на XeBr-эксилампе. Источник 2, d12 = 0.8 mm. Смесь Xe/Br = 120/1, p = 450 Torr.

С ростом давления смеси (0.5) сокращается. Длительность импульса излучения оказывается величиной, чувствительной к содержанию брома в смеси. Минимальное значение (0.5) было получено при возбуждении от источника 1 и составило 45 ns в смеси Xe/Br = 100/1 при p = 381 Torr. При том же давлении, но в смеси Xe/Br = 400/1 мощность излучения увеличивается в 1.4 раза, а (0.5) 60 ns (рис. 3).

Увеличение давления от 0.3 atm (при прочих равных условиях) ведет к снижению интенсивности излучения вплоть до момента, когда прекращается пробой разрядного промежутка. Уменьшение доли брома в смеси увеличивает интенсивность излучения, но удлиняет имРис. 2. Спектр излучения XeBr-эксилампы в смеси Xe/Br = пульс излучения.

= 200/1.5, p = 423 Torr. Источник 2.

Чтобы увеличить pd, нами была дополнительно испытана еще одна колба с d12 0.8 mm. На рис. 4 приведены осциллограммы тока, напряжения и излучения XeBr-эксилампы при возбуждении от источника 2 в этом случае. Почти трехкратное уменьшение d12 позволило сократить (0.5) с 50-60 до 21.6 ns. В этом случае плотность мощности излучения на поверхности лампы составила 2 mW/cm2.

Итак, даже в близких к оптимальным (с точки зрения получения короткого импульса излучения) условиях испытанные лампы не дают высокой мощности за счет того, что емкость заряжаемых диэлектрических барьеров ограничена. Использование высокого напряжения позволило бы не только увеличить энергию разряда, но и перейти к повышенным давлениям.

Высоковольтное короткоимпульсное возбуждение Для обеспечения пробоя при повышенных давлениях и укорочения переднего фронта импульса напряжения Рис. 3. Зависимость длительности импульса на полувысоте XeBr-эксилампы при различных общих давлениях от источни- был использован генератор наносекундных импульсов, ка 1 ( — Xe/Br = 400/1; — Xe/Br = 100/1). описанный выше (рис. 1).

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 62 С.М. Авдеев, И.Д. Костыря, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко На рис. 5 представлены типичные осциллограммы временного хода интенсивности излучения (1) и тока через лампу (2). Видно, что ток через эксилампу имеет меньшую длительность ( 2ns), чем длительность импульса излучения.

На рис. 6–8 представлены зависимости (0.5) и интенсивности излучения от давления и содержания компонентов в смеси. Видно, что:

— увеличение доли брома в смеи ведет к уменьшению интенсивности излучения и укорачивает импульс излучения;

— для каждой из излученных смесей имеет оптимальное с точки зрения выхода излучения общее давление.

С ростом общего давления смеси длительность изРис. 7. Интенсивность излучения и длительность импульса лучения сокращается, а разряд переходит от формы XeBr-эксилампы на полувысоте в смеси Xe/Br2 = 70/1 при „микроразряды + объемное свечение“ в жесткую форму.

различных общих давлениях.

Рис. 8. Интенсивность излучения и длительность импульса XeBr-эксилампы на полувысоте при различных соотношениях Xe/Br2 и общем давлении 1 atm.

Рис. 5. Осциллограммы тока (2) и импульса излучения (1) XeBr-эксилампы в смеси Xe/Br2 = 200/1 при общем давлении 1 atm.

Оценка полной импульсной мощности излучения лампы для смеси Xe/Br2 = 200/1 и давлении 510 Torr дала 105 kW, что соответствует 724 W/cm2.

Заключение Таким образом, в работе исследованы коаксиальные двухбарьерные XeBr-эксилампы и показано, что при уменьшении межэлектродного зазора между барьерами реализуются длительности импульса излучения на полувысоте от 21.6 до 60 ns при частоте следования импульсов до 200 kHz. Средняя мощность излучения эксилампы зависит от площади заряжаемых диэлектрических барьеров, содержания брома и давления смеси.

Показано, что на основе высоковольтного короткоимпульсного барьерного разряда может быть создана короткоимпульсная XeBr-эксилампа с высокой импульсРис. 6. Интенсивность излучения и длительность импульса ной мощностью. При давлении 1 atm Xe/Br2 = 70/XeBr-эксилампы на полувысоте в смеси Xe/Br2 = 200/1 при различных общих давлениях. была получена величина (0.5) =4.5 ns. Достигнутая Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. О формировании импульсов наносекундной длительности в XeBr-эксилампе барьерного разряда импульсная мощность излучения 100 kW может быть увеличина при увеличении размеров эксилампы.

Дальнейший прогресс в создании короткоимпульсных эксиламп будет зависеть от создания специальных источников питания.

Данная работа выполнена при поддержке НТЦ „Реагент“.

Список литературы [1] Kogelshatz U., Esrom H., Zhang J.-Y., Boyd I.W. // Applied Surface Science. 2000. Vol. 168. P. 29–37.

[2] Eliasson B. and Kogelschatz U. // IEEE Transactions on Plasma Science. 1991. Vol. 19. P. 309–329.

[3] Волкова Г.А., Кириллова Н.Н., Павловская Е.Н., Яковлева А.В. // ЖПС. 1994. Т. 41. № 4. С. 681–695.

[4] Ломаев М.В., Скакун В.С., Соснин Э.А. и др. // УФН. 2003.

Т. 173. № 2. С. 201–217.

[5] Ломаев М.В., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф.

Источники спонтанного ультрафиолетового излучения:

физика процессов и экспериментальная техника. Эксилампы. Томск: Томский государственный университет, 1999.

[6] Коваль Б.А., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф. и др. // ПТЭ.

1992. № 4. С. 244–245.

[7] Гаврилова Т.В., Аверьянов В.П. // Оптич. журн. 1995. № 9.

С. 59–61.

[8] Bollanti S., Clementi G., Di Lazzaro P. et al. // IEEE Transactions and Plasma Science. 1999. Vol. 27. P. 211–217.

[9] Ерофеев М.В., Ломаев М.И., Соснин Э.А. и др. // ЖТФ.

2001. Т. 71. Вып. 10. С. 137–140.

[10] Шуаибов А.К. // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 10. С. 138–142.

Pages:     || 2 |



© 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.