WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 2 04;07;12 Характеристики излучения импульсного разряда в ксеноне © Д.В. Рыбка,1 Е.Х. Бакшт,1 М.И. Ломаев,1 В.Ф. Тарасенко,1 М. Кришнан,2 Дж. Томпсон2 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия 2 Alameda Applied Sciences Corporation, CA 94577 San Leandro, USA e-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru (Поступило в Редакцию 25 мая 2004 г.) Приводятся результаты эспериментального исследования характеристик излучения сильноточного импульсного разряда в ксеноне. Конечной целью исследований является создание источника спонтанного излучения в УФ области спектра ( 250 nm), служащего для управления высоковольтным коммутатором на основе кристалла алмаза.

Введение Настоящая работа посвящена исследованию характеристик излучения плазмы свободно расширяющегося Источники спонтанного излучения на основе импульс- разряда в ксеноне и является продолжением исследований, начатых в [12].

ного или непрерывного разряда в газах или парогазовых смесях в настоящее время шороко распространены и имеют большое практическое значение [1–4]. ПерспекЭкспериментальная установка тивными источниками излучения в УФ области спектра и методика эксперимента являются импульсные лампы со свободным расширением разряда в плотных газах — шаровые импульсные Экспериментальная установка состояла из генератора лампы [4]. Отличительные особенности таких ламп — с емкостным накопителем энергии, нагруженного на короткая длительность и высокая мощность излучения, импульсную газоразрядную лампу. Использовалась имвысокая (десятки тысяч градусов) температура плазмы пульсная лампа с межэлектродным расстоянием 5 mm, разряда, широкий спектр излучения, содержащий непрезапоненная ксеноном. Цилиндрическая колба с внутренрывную составляющую, а также малый размер газоразним диаметром 20 mm была выполнена из кварца с прорядного объема, позволяющий эффективно концентрипусканием излучения в области спектра 200-250 nm не ровать излучение на облучаемом объекте с помощью менее 85%. При срабатывании лампы регистрировались оптических элементов. Разряд в ксеноне по сравнению с электрические и оптические характеристики разряда.

другими инертными газами имеет наибольший градиент Электрическая схема установки (рис. 1) состояла потенциала и наименьшее падение напряжения в прииз включеных последовательно импульсной лампы (F), электродных областях, поэтому он наиболее выгоден с накопительного конденсатора C0 и коммутатора триточки зрения эффективности работы лампы [1]. Указангатронного типа (S). Зарядка конденсатора C0 осущеные особенности ксеноновых шаровых ламп целесообствлялась через сопротивление R. Зарядное напряжеразно использовать при разработке эффективного недоние U0 составляло 12 kV, величина накопительной емкорого источника излучения для управления высоковольтсти C0 — 3.3 или 233 nF. Период собственных колебаний ным коммутатором на основе кристалла алмаза [5–7].

контура составлял соответственно 0.08 или 0.85 µs.

К настоящему времени показана возможнось управления таким коммутатором с помощью электронного пучка [8] и лазера УФ диапазона [9]. Однако при промышленном выпуске коммутатора использование лазеров или ускорителей нецелесообразно по причине их высокой стоимости. В связи с этим возникла необходимость разработки недорогого импульсного источника УФ излучения, предназначенного для управления коммутатором на основе алмаза. При этом необходимо, чтобы большая часть излучения приходилась на диапазон длин волн 250 nm, что соответствует полосе фундаментального поглощения кристалла алмаза ( 225 nm) и поглощению на примесях [10,11]. Желательно также, чтобы длительность импульса излучения такого источника не превышала нескольких микросекунд. Рис. 1. Электрическая схема установки.

9 132 Д.В. Рыбка, Е.Х. Бакшт, М.И. Ломаев, В.Ф. Тарасенко, М. Кришнан, Дж. Томпсон Система регистрации характеристик излучения разряда включала в себя спектрометр EPP2000C-25 (производство компании StellarNet Ink, США) с фотоприемником на основе CCD-линейки и фотоэлемент коаксиальный ФЭК-22СПУ. Спектрометр предназначался для регистрации спектрального распределения энергии излучения в диапазоне от 200 до 850 nm в относительных единицах. ФЭК-22СПУ использовался для регистрации временного хода мощности излучения разряда. Для данного прибора известна кривая спектральной чувствительности от 200 до 650 nm в абсолютных единицах.

Совокупность данных, получаемых с ФЭК-22СПУ и спектрометра, обеспечивает возможность определения спектрального распределения энергии излучения в абсолютных единицах в диапазоне спектральной чувствительности ФЭК-22СПУ.

Свечение разряда фотографировалось с помощью CCD-камеры „SensiCam“. Для синхронизации момента зажигания разряда с работой CCD-камеры разрядный промежуток лампы подсвечивался излучением слабого искрового разряда в воздухе. Система регистрации импульсов тока разряда и напряжения на электродах лампы включала соответственно токовый шунт и резистивный делитель напряжения.

В качестве модели алмазного коммутатора использовался фотодетектор на основе природного кристалла Рис. 2. Осциллограммы тока разряда I, напряжения на разалмаза IIa типа компании Alameda Applied Science рядном промежутке U, излучаемой мощности Pout, временная зависимость энергетической яркости разряда Be и подводимой Corporation (США). Электрическая схема фотодетекток разряду мощности Pinp.

ра была аналогична использовавшейся в работе [9] и представляла собой последовательно соединенные детектор, накопительный конденсатор и сопротивление нагрузки. Зарядное напряжение на конденсаторе составПосле окончания ввода энергии в разряд плазма продолляло 250 V.

жала светить еще в течение нескольких микросекунд.

Спектральная плотность энергии излучения разряда приведена на рис. 3. Видно, что большая часть энергии Экспериментальные результаты излучения лежит в УФ области спектра.

и обсуждение Снятые с помощью CCD-камеры фотографии разряда в ксеноне (для контура с 0.85 и 0.08 µs) показали, В ходе экспериментов регистрировались импульсы тока разряда, напряжения на электродах, мощности излучения, спектр излучения разряда и динамика свечения разряда в видимой области спектра.

На рис. 2 представлены осциллограммы тока, напряжения и мощности излучения разряда в ксеноне (C0 = 233 nF, U0 = 12 kV) при давлении 550 Torr, а также временная зависимость подводимой к разряду мощности.

Видно, что более 70% всей вложенной в разряд энергии вкладывается в течение первого полупериода колебаний.

В разряд вкладывалось 36% запасенной в конденсаторе C0 энергии, остальная энергия рассеивалась в коммутаторе. Энергия излучения в диапазоне длин волн 200-250 nm составила 4.2 % от энергии, вложенной в разряд. Полная энергия излучения в области 200-составила 1 J, пиковая мощность излучения 500 kW.

Длительность свечения разряда на полувысоте составила 1.6 µs, излучаемая мощность достигала максимального значения через 700 ns после зажигания разряда. Рис. 3. Спектральная плотность энергии излучения разряда.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Характеристики излучения импульсного разряда в ксеноне Рис. 4. Разряд в различные моменты времени. C0 = 233 (a), 3.3 nF (b).

что практически всегда происходил многоканальный когда в разряде присутствует один токовый канал (знапробой разрядного промежутка (рис. 4). В дальнейшем чения энергетической яркости разряда и плотности тока отдельные каналы расширялись и сливались в один, вычислены с использованием аппроксимации зависимочасто уже через 200 ns. сти радиуса канала от времени).

При воздействии излучения разряда (C0 = 233 nF, Как известно [3], пространственное распределение = 1.1 µs, p = 550 Torr) на алмазный детектор наблюизлучения импульсных ламп в основном определяется формой и распределением яркости светящегося объ- далось отличие формы импульса тока в цепи детектоема плазмы. Поэтому регистрация изменения простран- ра от формы импульса мощности излучения (рис. 6).

Это связано, с отличием временного хода излучаемой ственного распределения свечения плазмы с течением мощности в диапазоне длин волн 300 nm, регивремени представляет определенный интерес и с этой стрируемой детектором, от временного хода излучаемой точки зрения.

мощности в диапазоне 200-650 nm, соответствующем На рис. 4, a приведено свечение разряда (C0 = 233 nF, области чувствительности ФЭК-22СПУ. Укорочение имp = 550 Torr) в различные моменты времени. Видно, что с течением времени по мере расширения светящейся области увеличивается и однородность свечения плазмы разряда.

При значительном уменьшении накопительной емкости неоднородность плазмы сохранялась практически до полного окончания ее свечения. Это видно на рис. 4, b, где C0 = 3.3nF, U0 = 12 kV, p = 550 Torr. Длительность свечения на полувысоте составила 220 ns. Максимум излучаемой мощности приходится на первые 150 ns, когда в разрядном промежутке присутствует несколько каналов.

Фотографии свечения дали возможность оценить радиус и скорость расширения токового канала, среднюю по сечению плотность тока разряда, а также энергетическую яркость разряда в различные моменты времени.

Результаты этих оценок для C0 = 233 nF приведены на Рис. 5. Плотность тока разряда (1), радиус разрядного канарис. 5 и 2 соответственно. Оценка перечисленных вели- ла (2) и скорость расширения разрядного канала (3). Значки — чин справедлива, начиная с момента времени t 200 ns, экспериментальные значения радиуса разрядного канала.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 134 Д.В. Рыбка, Е.Х. Бакшт, М.И. Ломаев, В.Ф. Тарасенко, М. Кришнан, Дж. Томпсон [7] Glinski J., Gu X.-J., Code R.F., van Driel H.M. // Appl. Phys.

Lett. 1984. Vol. 45. N 3. P. 260.

[8] Prasad R.R., Gensler S.W., Qi N., Krishnan M., Loubriel G. // Proc. SAE Aerospace Power Systems Conf. Mesa, 1999.

P. 193.

[9] Липатов Е.И., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Шейн Дж., Кришнан М. // Квантовая электрон. 2001. Т. 31. № 12.

С. 1115.

[10] Field J.E. The Properties of Diamond. London: Academ.

Press, 1979.

[11] Бокий Г.Б., Безруков Г.Н., Клюев Ю.А., Налетов А.М., Непша В.И. Природные и синтетические алмазы. М.:

Наука, 1986.

[12] Ломаев М.И., Рыбка Д.В., Тарасенко В.Ф., Липатов Е.И., Кришнан М., Томпсон Дж., Раркс Д. // Изв. вузов. Физика.

2004. Вып. 1. С. 81–84.

Рис. 6. Осциллограммы импульсов тока в цепи детектора ID [13] Lisenko A.A., Lomaev M.I., Rybka D.V., Tarasenko V.F. // (пунктир) и излучения разряда Pout (сплошная кривая).

Proc. SPIE. Vol. 4977. P. 434–437.

пульса излучения в диапазоне 200-300 nm по сравнению с импульсом излучения в диапазоне 200-650 nm наблюдалось в аналогичных условиях в [13].

Заключение В данной работе проведены исследования спектральных, энергетических и временных характеристик им пульсного разряда в ксеноне, а также исследование динамики свечения разряда с помощью CCD-камеры.

При давлении 550 Torr энергия излучения в диапазоне длин волн 200-850 nm составила 1 J, в диапазоне длин волн 200-250 nm энергия излучения составила 0.3 J с эффективностью преобразования введенной в разряд энергии в излучение 4.2%. Максимальная энергетическая яркость разряда > 400 kW/(sr · cm2), пиковая мощность излучения 500 kW. Полученные результаты позволяют рассматривать перспективу использования импульсной ксеноновой лампы для управления высоковольтным коммутатором на основе кристаллов алмаза.

Настоящая работа проведена при финансовой поддержке фонда CRDF (проект RP2-538-TO-02) и NATO (проект EST.CLG.9495401).

Список литературы [1] Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991. 720 с.

[2] Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Энергоатомиздат, 1983. 472 с.

[3] Импульсные источники света / Под ред. И.С. Маршака.

М.: Энергия, 1978. 472 с.

[4] Энциклодения низкотемпературной плазмы. Вводный том IV / Под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2000. 233 с.

[5] Bharadwaj P.K., Code R.F., van Driel H.M., Walentynowicz E. // Appl. Phys. Lett. 1983. Vol. 43. N 2. P. 207.

[6] Ho P. T., Lee C.H., Stephenson J.C., Cavanagh R.R. // Optics Commun. 1983. Vol. 46. N 3, 4. P. 202.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып.




© 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.