WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 10 04;07;12 Импульсно-периодический объемный разряд низкого давления на смеси аргон/хлор, инициируемый прилипательной неустойчивостью © А.К. Шуаибов Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина e-mail: ishev@univ.uzhgorod.ua (Поступило в Редакцию 19 марта 2002 г.) Исследованы условия зажигания и характеристики импульсно-периодического объема разряда в системе сферический анод–плоский катод. Рабочей средой служили смеси Ar/Cl2 (P 2.0kPa), используемые в эксимерно-галогенной лампе на системе молекулярных полос 175 nm ArCl(B-X), 257 nm Cl2(D -A ) и 195–200 nm Cl. При межэлектродном расстоянии 3 cm, подаче на анод посто2 янного напряжения (Uch 1.0kV) и заполнении разрядного объема хлором или газовыми смесями Ar/Cl2 = 0.1-2.0/0.04-0.12 kPa в межэлектродном объеме зажигался устойчивый импульсно-периодический разряд с частотой следования импульсов 1–50 kHz. За счет развития прилипательной неустойчивости плазмы (при которой значительную роль играют процессы образования, распада и диффузии отрицательных ионов Cl-, Cl-) образуется единичный плазменный домен грушевидной формы со средний диаметром 0.2-3.5cm.

2 Показано, что исследуемая плазма может служить в электродов сплошной катод–сетчатый анод с межэлеккачестве активной среды эксимерно-галогенной лампы тродным расстоянием 3 cm и газовые смеси Xe/Cl2(HCl) низкого давления излучающей в спектральном диапа- при давлении P 2.0 kPa. Показано, что эффективность зоне 180–270 nm. Такая импульсно-периодическая лампа излучения данной лампы в угол 4 превышала 4%, а не предполагает использования импульсного источника величина постоянного напряжения на аноде 1.0kV.

питания, основанного на работе емкостных или индукОсновное внимание в работе было сосредоточено на истивных накопителей энергии с традиционными коммуследовании пространственных характеристик плазмы, а таторами (разрядниками, тиратронами и др.), что значивременные характеристики разряда и излучения плазмы тельно расширяет область ее использования. Приводятся не изучались.

результаты оптимизации яркости полос излучения молеВ таких газовых средах значительную роль в форкул ArCl и Cl в зависимости от величины давления 2 мировании объемного разряда играют процессы прилии состава смеси Ar/Cl2, а также среднего тока разряда.

пания, отлипания электронов, диффузии отрицательных Представлены результаты исследования влияния состава ионов и развитие прилипательной неустойчивости плазрабочей смеси на динамику зажигания и излучения мы [10–12], что делает проблематичным существование плазмы объемного разряда.

стационарного тлеющего разряда и создание непрерыв1. Тлеющий разряд на смесях Ar(Kr,Xe)/Cl2 низкого ных эксимерно-галогенных ламп низкого давления.

давления (P 2kPa), получаемый в длинных стеклянВ настоящей работе приводятся исследования харакных трубках разных размеров и конструкций, широко теристик объемного разряда в смеси аргон/хлор, полуиспользуется в эксимерных лампах УФ–ВУФ диапазона чаемого при питании короткого разрядного промежутка спектра [1–5]. Конструктивно они значительно проще от источника постоянного напряжения.

ламп с микроволновой [6] или плазмодинамической 2. В эксперименте контролировались пространственнакачкой [7,8] и позволяют получать непрерывное УФ– ные характеристики разряда и исследовались усредненВУФ излучение. Величина напряжения на электродах ные вольт-амперные характеристики (ВАХ), спектры у таких ламп может достигать 5–10 kV, а уже при излучения плазмы в диапазоне 130–350 nm, осциллоразрядном токе Ich 20-30 mA необходимо использограммы тока и суммарного излучения в спектральной вание принудительного охлаждения электродов и самой области 200–700 nm, а также зависимость интенсивноразрядной трубки. Кроме активной среды цилиндрческой сти излучения в максимуме полос молекул ArCl и хлора формы (плазмы положительного столба тлеющего разот величины среднего разрядного тока.

ряда постоянного тока) значительный интерес представСистема электродов сферической анод–плоский катод ляют разработки планарных ламп с системой электроустанавливалась в металлическую разрядную камеру дов, не ограниченной диэлектрическими стенками. В раобъемом 10 l, которая была герметически соединена боте [9] впервые сообщалось о разработке и приведены с вакуумным монохроматором (схема Сейя–Намиоки, характеристики планарной лампы низкого давления на спектральное разрешение 0.7 nm) через окно из LiF.

основе излучения молекулы XeCl ( = 236/308 nm), разряд в которой зажигался при использовании источ- В качестве фотоприемника в вакуумном спектрометре ника постоянного напряжения. Применялись система использован фотоумножитель ФЭУ-142 с LiF окном.

Импульсно-периодический объемный разряд низкого давления на смеси аргон/хлор... Калибровка спектрометра проводилась по континууму молекулы водорода в области 165–350 nm, а в спектральном диапазоне 130–165 nm — аппроксимацией кривой спектральной чувствительности из областей 165 nm.

За противоположным от входной щели вакуумного монохроматора смотровым окном из кварца был установлен импульсный фотоумножитель „Фотон“ с областью спектральной чувствительности 200–700 nm, который соединялся с импульсным осциллографом С1-99.

Временное разрешение системы регистрации импульсов излучения 10 ns. Система электродов (рис. 1) состояла из массивного анода диаметром 7 cm и катода диаметром 9 cm, изготовленных из дюралюминия и установленных на расстоянии 3 cm один от другого. Радиус закругРис. 2. Статистические ВАХ объемного разряда в смесях ления рабочей поверхности анода составлял 3 cm, катод P(Ar)/P(Cl2) =1.33/0.12 (1) и 1.33/1.2 kPa (2).

был плоским. Постоянное напряжение (Uch 1kV) подавалось на анод через ограничительное сопротивление 10 k. Средний ток разряда изменялся в диапазоне 2–50 mA, а давление газовых смесей находилось в уменьшению его диаметра на аноде до 0.2 cm, а вблизи пределах 40–2000 Pa.

катода до 0.5 cm. Во всех экспериментах наблюдалось 3. Характерный вид поперечного сечения разрядного темное пространство, размер которого увеличивался устройства и образующейся в нем плазмы на сме- с 0.5 до 5.0 mm с увеличением давления смеси Ar/Clсях Ar/Cl2 приведен на рис. 1. При разряде в смесях и особенно содержания хлора в ней. Диаметр отринизкого давления с минимальным содержанием хлора цательного тлеющего свечения в 1.3–1.5 раз превышал наблюдалось формирование конусообразного плазмооб- диаметр катодной части плазмообразования. Такого вида разования, плотно прилегающего к средней части рабо- единичные плазмообразования на основе электроотрицачей поверхности анода и имеющего четкую сферическую тельных газовых сред называют плазменными доменами границу вблизи поверхности катода. Диаметр основы или автосолитонами [13,14].

на аноде достигал 1.0–1.5 cm, а в области катода он 4. Статические ВАХ разряда в смесях Ar/Cl2 при увеличивался в 1.5–2.0 раза. В средней части плазмооб- фиксированном давлении Ar и крайних значениях P(Cl2) разования наблюдался более яркий сегмент, также имею- (0.12 и 1.2 kPa) представлены на рис. 2. Как и для прощий четкую сферическую границу у поверхности катода.

дольного разряда постоянного тока на смеси Ar/Cl2 [4], Увеличение давления газовых смесей и содержания в на усредненных ВАХ испульсно-периодического объемних хлора приводило к сдвигу точки фиксации плазмоного разряда можно выделить поднормальную стадию образования на периферийную часть поверхности анода, горения (при Ich 20 mA) и нормальную — при более высоком разрядном токе. Увеличение парциального давления хлора в смеси на порядок приводило к значительному росту величины напряжения на разрядном промежутке (рис. 2) и увеличению электрической мощности объемного разряда в 1.5–2.0 раза.

5. Спектры излучения плазмы объемного разряда приведенына рис. 3. Интенсивность излучения плазмыв области 400 nm не превышала 5–10% от интенсивности в УФ–ВУФ области длин волн, что проверялось в отдельном эксперименте по регистрации суммарного излучения разряда при помощи фотоумножителя через светофильтр. Как следует из рис. 3, плазма автосолитонов — это селективный источник излучения в диапазоне 170–270 nm. Вид спектров подобен полученному нами для плазмы продольного тлеющего разряда в смеси Ar/Cl2 [4,15]. Основными в спектрах излучения были молекулярные полосы 175 nm ArCl(B-X), 200 nm Cl и 257 nm Cl2(D -A ). Спектры на рис. приведены с учетом относительной спектральной чувРис. 1. Схема разрядного устройства и вид разрядной плазмы ствительности вакуумного спектрометра. При малом на смесях аргона с хлором при крайних парциальных давпарциальном давлении аргона и хлора (рис. 3, a) молениях Ar и Cl2 в смесях: P(Ar)/P(Cl2) = 2.00/0.12 (1) и лекулярный спектр излучения представлен хорошо раз1.33/1.2 kPa (2), где A —анод, C —катод, 3 — отрицательное катодное свечение, V — высоковольтный выпрямитель. решенными электронно-колебательными полосами моЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. 140 А.К. Шуаибов характерные (как правило, с максимальной величиной амплитуды измеряемой величины) осциллограммы тока и суммарного излучения плазмы. В действительности Рис. 3. Спектры излучения плазмы объемного разряда на смесях P(Ar)/P(Cl2) = 0.20/0.12 (a), 1.33/0.12 (b), 1.33/0.27 (c) и 1.33/1.20 kPa (d).

лекулы хлора [16]. Расшифровка спектров излучения низкотемпературной плазмы хлора проводилась нами ранее для поперечного объемного разряда в хлоре [17] и практически полностью совпадает с результатами данного эксперимента. Молекулы хлорида аргона при этом не образуются и полоса 175 nm в спектре излучения отсутствует. Увеличение парциального давления аргона до 1.33 kPa (рис. 3,b) приводило к значительному увеличению яркости излучения полос хлора и появлению полосы 175 nm ArCl(B-X). На полосах излучения молекулярного хлора сохраняется сильно выраженная структура. Зависимость эффективности образования молекул ArCl от величины P(Ar) имела резкий характер, поскольку они образовывались только в сравнительно узком диапазоне парциальных давлений аргона 0.8–1.33 kPa. Увеличение парциального давления хлора в смеси до 0.28 kPa (рис. 3, c) приводило к еще большему росту яркости излучения всех молекулярных полос хлора и хлорида аргона. Данная смесь была близкой к оптимальной для получения максимальной яркости суммарного УФ–ВУФ излучения плазмы. Рост P(Cl2) в рабочей смеси до 1.2 kPa приводил к незначительному уменьшению яркости излучения хлора и сильному тушению молекул ArCl(B).

6. Одним из оcновных признаков проявления прилипательной неустойчивости низкотемпературной плазмы на основе электроотрицательных молекул является модуляция тока разряда и излучения плазмы во времени [11]. Как следует из рис. 4, для объемного разряда на смесях Ar/Cl2 низкого давления реализуется импульсно-периодический режим зажигания разряда. Частота следования импульсов в зависимости от давления и состава рабочей смеси, а также среднего тока разряда Рис. 4. Осциллограммы тока (1, 1 ) и суммарного излучения находилась в диапазоне 1–50 kHz. Увеличение среднего плазмы (2, 2 ) разряда на смесях P(Ar)/P(Cl2) =0.20/0.12 (a), тока разряда приводило, как правило, к росту частоты 1.33/0.12 (b), 1.33/1.20 kPa (c) при средних токах разряследования импульсов. На рис. 4 приведены наиболее да 10 (1, 2) и 30 mA(1, 2 ).

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Импульсно-периодический объемный разряд низкого давления на смеси аргон/хлор... 1.3–3.0 раза и в значительной степени ростом частоты повторения импульсов при увеличении среднего тока объемного разряда (рис. 5). Увеличение парциального давления хлора в смеси с 0.12 до 1.2 kPa приводило к росту интенсивности излучения полос хлора в 1.5–2.0 раза, но эксимерная молекула ArCl(B) испытывала сильное тушение и полоса с = 175 nm не давала вклада в суммарное УФ излучение плазмы.

8. Таким образом, исследование характеристик объемного разряда низкого давления на смеси аргон/хлор, получаемого в системе электродов не ограниченной диэлектрическими стенками при малом межэлектродном расстоянии (d 3cm) и при использовании источника постоянного напряжения показало, что объемный разряд существует исключительно в импульсно-периодическом режиме ( f = 1-50 kHz). Возможна разработка импульсно-периодической эксимерноРис. 5. Зависимость интенсивности излучения в максимумах галогенной лампы низкого давления для спектральной полос с = 175 nm ArCl(B-X) (1), 200 nm Cl (2) и области 170–270 nm. Разработка соответствующих ламп 257 nm Cl2(D -A ) (3) от величины среднего тока разряда на с непрерывным режимом излучения невозможна в связи смесях P(Ar)/P(Cl2) =1.33/0.12.

с развитием прилипательной неустойчивости объемного разряда. Контрольный эксперимент, проведенный при зажигании объемного разряда на смеси ксенон/хлор при наблюдалось формирование автосолитонов с широким общем давлении P 1.0 kPa, показал, что и в данном распределением амплитудных значений тока и фототока: случае чисто непрерывный режим излучения разряда не достигается, но в разряде существует непрерывная соI; JF = 0.3-0.9Imax; Jmax. Длительность импульсов тока F разряда и излучения плазмы на 50%-ном уровне ам- ставляющая тока и излучения плазмы, величина которой сильно зависит от суммарного давления, состава смеси и плитудного значения находились в диапазоне 100–200 ns.

среднего тока объемного разряда. Для получения максиВ разряде на смеси Ar/Cl2 низкого давления с малым мальной яркости УФ–ВУФ излучения плазмы объемного парциальным давлением хлора (рис. 4, a) формирование разряда длительностью = 100-300 ns оптимальными плазменных автосолитонов и соответственно излучения являются смеси Ar/Cl2 =(1.0-1.5)/(0.2-0.3) kPa.

плазмы происходило в области максимума тока объемного разряда. Увеличение же среднего тока с до 30 mA для смесей всех составов приводило к увеСписок литературы личению амплитуды тока и уменьшению яркости суммарного излучения плазмы. Возрастание парциального [1] Головицкий А.П. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 8.

С. 73–76.

давления аргона (рис. 4, b) приводило к расширению [2] Панченко А.Н., Соснин Э.А. и др. // Письма в ЖТФ. 1995.

осциллограммы тока и уменьшению его амплитуды Т. 21. Вып. 20. С. 77–80.

в два раза. Импульс излучения характеризовался при [3] Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А. // ЖТФ. 1998.

этом коротким передним фронтом и имел основной Т. 68. Вып. 2. С. 64–68.

максимум уже на переднем фронте импульса тока.

[4] Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И.В. // Квантовая Длительность импульса излучения возрастала при этом электрон. 2001. Т. 31. № 4. С. 371–372.

на 20–30%. Рост парциального давления хлора в смеси [5] Шуаибов А.К., Дащенко А.И., Шевера И.В. // ЖТФ. 2001.

при P(Ar) =1.33 kPa (рис. 4) приводил к укорачиванию Т. 71. Вып. 8. С. 121–124.

импульса тока до 100 ns и некоторому увеличению его [6] Kumagai H., Obara M.A. // Jap. J. Appl. Phys. 1989. Vol. 28.

амплитудного значения, особенно при Ich 10 mA.

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.