B02 Последние достижения в разработке и применении эксиламп

Соснин Э.А., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Эксилампа - это газоразрядный источник ультрафиолетового (УФ) и/или вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения на основе неравновесного спонтанного излучения эксимерных (R2*, X2*) или эксиплексных (RX*) молекул, где R - инертные газы (Ar, Kr, Xe) а X - галогены (F, Br, Cl, I) [1-4]. В данном докладе представлен краткий обзор результатов, полученных в 2006-2008 гг. в лаборатории оптических излучений при разработке и применении эксиламп барьерного разряда (БР) (рис. 1). Наличие двух диэлектрических барьеров из кварцевого стекла обеспечивает потенциально высокие сроки службы таких устройств и стабильность спектрального состава излучения.


Рисунок 1. Варианты конструкций планарной (а) и коаксиальной (b) эксиламп барьерного разряда
1 - слой диэлектрика или диэлектрическая колба; 2 - источник переменного или импульсного напряжения; 3, 4 - сплошной и перфорированный электроды; 5 - разрядный промежуток (Излучение показано белыми стрелками).

1. Спектр эксиламп, как правило, сосредоточен в одной сравнительно узкой и интенсивной полосе излучения, полушириной от 2 до 15 нм для эксиплексных молекул, и, примерно, до 30 нм для эксимерных молекул. Кроме излучения полосы B®X спектр эксиплексных ламп может содержать полосы других переходов D®X, C®A, D®A той же самой молекулы, однако их вклад в лучистый поток эксилампы в условиях повышенных и высоких давлений весьма мал. В этом смысле такие эксилампы можно назвать однополосными. Нами впервые разработаны эксилампы БР, излучающие одновременно несколько интенсивных молекулярных полос разных эксиплексных и/или эксимерных молекул, а именно эксилампы на смесях Kr-Br2, Kr-Cl2-Br2 (см. табл. 1). Кроме того, для обеспечения многополосного излучения нами была исследована трехбарьерная эксилампа с двумя несообщающимися объемами, промежутки в которых установлены последовательно. На  основе этих исследований создана эксилампа, излучающая одинаковые по интенсивности B-X полосы молекул KrCl* и XeBr* на λ = 222 нм, ∆λ1/2 ~ 2 нм и λ = 282 нм, ∆λ1/2 ~ 2 нм, имеющая среднюю мощность излучения 1.2 Вт [5].

В любом случае узкий спектр (одно- или многополосной) эксилампы позволяет осуществлять (за счёт выбора газовой среды) целенаправленное воздействие излучения нужного спектрального состава на те или иные системы, решать различные научные и прикладные задачи [1-4].

2. Энергетические характеристики эксиламп определяются условиями возбуждения (частотой следования импульсов напряжения, геометрией разрядного промежутка и т.д.). Нами, вероятно, первыми, проведён широкий цикл исследований энергетических характеристик эксиламп БР. В табл. 1 представлены некоторые достигнутые нами к настоящему времени значения энергетической светимости и эффективности излучения различных эксиламп БР (например, [4-9]). Видно, что эксилампы планарной конструкции обеспечивают сравнительно низкие эффективности излучения [6]. Однако, в практически важных ситуациях это не столь важно, если нужен источник, обеспечивающий плоский фронт излучения. Из исследованных нами систем наиболее эффективными вне зависимости от геометрии колбы являются эксилампы на рабочих молекулах XeBr*, KrCl* и XeCl*.

Таблица 1

Газовая смесь

Максимум(ы) излучения, нм

Конструкция

(по рис. 1)

Плотность мощности излучения, мВт/см2

Эффективность, %

Xe-Br2

Kr-Br2

Xe-Cl2

Kr-Cl2

Ar-Cl2

283

206, 289

308

222

257.8

а

30

11.4

39

19.3

9.9

2.3

0.9

3.

1.5

0.75

Xe-Br2

Kr-Br2

Kr-I2

Ar-Br2

Ar-Cl2

Kr-Cl2-Br2

Kr-Cl2

Xe-Cl2

283

206, 289

206.2, 342

291

257.8

222, 206, 289

222

308

b

32

11.8

4.5

8

5.7

5.2

25.8

30

8.7

0.7

1.6

3.8

2

3

6

6

 

3. Сроки службы эксиламп детерминированы рядом факторов:

  • наличием/отсутствием в газовой среде химически агрессивного газа (хлора);
  • температурным режимом колбы (и, соответственно, удельным энерговкладом в газовую среду);
  • радиационной стойкостью используемого для изготовления колбы кварца (что актуально для коротковолновых эксиламп);
  • конструкцией колбы (а именно, наличием в ней т.н. «буферного» объёма).

В  режиме умеренных энеговкладов и/или за счёт применения колбы с «буферным» объёмом нами достигнуты сроки службы хлорсодержащих эксиламп до 7000 ч. Испытания эксиламп на основе иодидов и бромидов показали, что за 2500 ч не происходит какого-либо заметного снижения мощности излучения, за исключением KrBr-эксилампы, B→X полоса излучения которой со временем снижает прозрачность кварцевых колб из стекла марки ТКг.

4. Применение эксиламп прежде всего обусловлено их спектральным составом. В тех случаях, когда широкополосный спектр излучения не нужен и необходимо селективно воздействовать на тот или иной фотопроцесс, эксилампы находят всё новые и новые применения. Остановимся только на некоторых последних проведённых нами исследованиях действия излучения эксиламп на вещество.

Инактивация микроорганизмов излучением эксиламп [10]. Исследовано инактивирующее действие излучения XeBr-эксилампы БР и ртутной лампы низкого давления (РЛНД) в полосе первого максимума поглощения ДНК на E. coli. По [10] видно , что максимум интенсивности B-X полосы молекулы XeBr* (282 нм) находится примерно на одном и том же расстоянии от максимума спектра действия, что и атомарная линия РЛНД, т.е. Dl1 ≈ Dl2. На этом основании был предсказан сопоставимый инактивирующий эффект излучения обеих ламп, что подтвердилось экспериментально. Но при повторном облучении выживших микроорганизмов инактивирующий эффект от излучения XeBr-эксилампы БР не изменился, а для РЛНД - уменьшился. Косвенно это свидетельствует о том, что клетки E. coli приобретают резистентность к атомарной линии ртути спектра РЛНД, а излучение XeBr-эксилампы такого эффекта не вызывает.

Результаты исследования инактивирующего действия излучения эксиламп БР на молекулах XeBr*, KrCl* и эксилампы на рабочих молекулах KrCl* и KrBr* на широкую выборку микроорганизмов (эталонные штаммы Ecoli, St. aureus, микроорганизмы, выделенные с кожи человека р. Sarcina, р. Bacillus и р. Pseudomonas) показалито эксилампы обеспечивают заданную бактерицидную эффективность при поверхностных дозах, сопоставимых с дозами РЛНД.

Идентификация алмазов [11, 12]. В [12] измерены и исследованы спектры пропускания и люминесценции образцов корунда, алмаза и фианита природного и искусственного происхождения. Возбуждение люминесценции производилось KrCl-эксилампой БР. Предложено использовать KrCl-эксилампу для создания приборов неразрушающей идентификации алмаза и его имитаторов [12].

Инактивация живых клеток излучением эксиламп [13]. Исследовано инактивирующее действие излучения I2- и XeBr-эксиламп ЕР на культуры живых клеток Chinese Hamster Ovary (CHO-K1). Найдено, что зависимость степени инактивации фибробластов Chinese Hamster Ovary (CHO-K1) от поверхностной дозы облучения носит пороговый характер, а не падающий, как в случае УФ-инактивации микроорганизмов. Дано объяснение этому эффекту. Действие УФ-излучения на клетку вызывает в её внутренней среде образование свободных радикалов и оксидов (например, H2O2 и его производных). Для защиты от них клетка вырабатывает антиоксиданты. Одним из важных антиоксидантов является глютатион (GSH, γ-глютамилцистеинглицин), состоящий из γ-глютаминовой кислоты, цистеина и глицина, и клетки CHO-K1 содержат GSH. Выяснилось, что в здоровых клетках концентрация GSH высока и составляет по порядку величины мМ. При облучении XeBr-эксилампой глютатион исчерпывается в клетках при дозах HS > 0.2 Дж/см2. При дозах менее 0.2 Дж/см2 излучение никак не влияло на жизнеспособность клетки и концентрацию антиоксиданта. На основании этих исследований сделан практически важный вывод, что излучение эксиламп удобно использовать для стерилизации инфицированных тканей, не затрагивая функциональной активности фибробластов живой ткани.

Биотехнология [14]. Для разложения ряда токсичных органических загрязнителей применяются не только фотохимические, но и биологические методы. Но биодеградация ряда токсичных веществ при их повышенной концентрации сопровождается ингибированием роста организмов-деструкторов и относительно низкой скоростью разложения.  Предложен новый комбинированный метод деградации хлорфенолов (ХФ) с использованием эксиламп: на первом этапе ХФ окисляются излучением XeBr-эксилампы, в результате чего ХФ переводятся в относительно легкоокисляемые формы, и на втором этапе подвергаются биодеградации. Применение эксилампы позволило примерно на порядок сократить время первого этапа, по сравнению с работами наших предшественников.

Из анализа текущей литературы по исследованиям эксиламп можно заключить, что дальнейшие перспективы развития эксиламп связаны с внедрением их в практику решения всё большего количества научных и индустриальных задач.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (грант №3583). 

Литература:

  1. Соснин Э.А. Эксилампы и новое семейство газоразрядных ультрафиолетовых облучателей на их основе // Светотехника. 2006. №6. С.25-31.
  2. Sosnin E.A., Oppenländer T., Tarasenko V.F. Applications of Capacitive and Barrier Discharge Excilamps in Photoscience // J. Photochem. Photobiol. C: Reviews. 2006. V.7. P.145-163.
  3. Sosnin E.A., Sokolova I.V., Tarasenko V.F. Development and Applications of Novel UV and VUV Excimer and Exciplex Lamps for the Experiments in Photochemistry // In Book: Photochemistry Research Progress (Eds by A. Sanchez, S.J. Gutierrez). Nova Science Publishers, 2008. ISBN 978-1-60456-568-3.
  4. Ломаев М.И., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Оптические свойства плазмы барьерного и ёмкостного разрядов в смесях инертных газов с галоидами и в инертных газах, эксилампы // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. 2008. Серия Б. Том III-2. Глава 2. С. 526-556. М.: Янус-К, 2008.  ISBN 978-5-8037-0429-4.
  5. вдеев С.М., Соснин Э.А., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В. Источник двухполосного излучения на основе трехбарьерной KrCl-XeBr-эксилампы // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. Вып.17. С.1-6.
  6. Авдеев С.М., Ерофеев М.В., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Планарные эксилампы барьерного разряда // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т.21. №8. С.725-727.
  7. Авдеев С.М., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Оптические характеристики плазмы эксиламп барьерного разряда на димерах галогенов I2*, Cl2*, Br2* // Оптика и спектроскопия. 2007. Т.103. №4. C.554-560.
  8. Avdeev S.M., Boichenko A.M., Sosnin E.A., Tarasenko V.F., Yakovlenko S.I. Barrier-Discharge Excilamp on a Mixture of Krypton and Molecular Bromine and Chlorine // Laser Physics. 2007. V.17. №9. P.1119-1123.
  9. Авдеев С.М., Ерофеев М.В., Скакун В.С., Соснин Э.А., Суслов А.И., Тарасенко В.Ф., Щитц Д.В. Спектральные и энергетические характеристики многополосных KrBr-эксиламп барьерного разряда // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №7. С.702-706.
  10. Авдеев С.М., Величевская К.Ю., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Лаврентьева Л.В. Анализ бактерицидного действия ультрафиолетового излучения эксимерных и эксиплексных ламп // Светотехника. 2008. №4. С. 41-45.
  11. Авдеев С.М., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В. Устройство для детектирования алмазов // Патент RU № 71166. Приоритет 06.11.07. Опубл. 27.02.2008. Бюл. №6.
  12. Sosnin E.A., Lipatov E.I., Avdeev S.M., Tarasenko V.F., Novoselov Yu.N. Application of a KrCl-excilamp (222 nm) for identification of natural and synthetic diamonds // Proc. SPIE. 2009. V.7201. 720118.
  13. Erofeev M.V., Kieft I.E., Sosnin E.A., Stoffels E. UV excimer lamp irradiation of fibroblasts: the influence on antioxidant homeostasis // IEEE Transactions on Plasma Science. 2006. V.34. №4. P.1359-1364.
  14. Matafonova G.G., Christofi N., Batoev V.B., Sosnin E.A. Degradation of chlorophenols in aqueous media using UV XeBr excilamp in a flow reactor // Chemosphere. 2008. V.70. P.1124-1127.

Тематика:

Комментариев: 7


» Гаврилкина Галина (об авторе) { Июнь 8, 2009 - 10:06:17 }

Доклад интересен. Но могут ли эти лампы представить промышленный интерес, или им уготовано место только в лабораторных, исследовательских испытаниях?

» Прикупец Леонид (об авторе) { Июнь 8, 2009 - 01:06:14 }

Прикупец Л.Б. , 8.06.2009.
Уважаемый Эдуард Анатольевич! Если позволите, несколько вопросов.
1. Почему так сильно отличается эффективность ((КПД-?) Xe-Br2 ламп конструкций а) и б).
2. Каковы предельные мощности ламп, возможно ли создание ламп 100-200 Вт.
3. Каков спад лучистого потока к концу срока службы ламп, напр. для хлорсодержащих ламп
к 7000 час.?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 12:06:43 }

Уважаемый Эдуард Анатольевич!
1. Какова температура колбы ламп?
2. Возможно ли их непосредственное погружение в жидкую среду (воду)?

» Попов Олег (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 07:06:17 }

Эдуард Анатольевич! Помнится, несколько лет тому назад в Вашей лаборатории проводились исследования возможности создания эксиламп на основе ВЧ разрядов в килогерцовом диапазоне. В частности, Вы применяли емкостной разряд и собирались использовать индукционный разряд. К.п.д. излучения плазмы (доля мощности, уходящей на видимое излучение) используемого Вами ВЧ разряда превышало тогда 20%. Почему же Вы отказались от ВЧ накачки и перешли к барьерному разряду, имеющему, как можно видеть из Вашей таблицы, меньший к.п.д.?

» Соснин Эдуард (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 11:06:43 }

> К вопросу Галины Гаврилкиной:
- Эксилампы уже промышленно выпускаются на Западе и в Японии. В россии лидирует по исследованиям лаборатория, в которой я работаю. С нашей помощью пока создана и запущена только одна промышленная технология - производство эксиламп для лечения кожных заболеваний. Сложности с пробиванием промобразцов в серию привели к тому, что сейчас эту лампу выпускает немецкая фирма. Сдалали мы и установку для работы на газовых промыслах. Она проработала там успешно 2 сезона, а потом когда наш заказчик выиграл у правительства лицензию на газовое месторождение, то сам заказчик ликвидировал инновационный отдел под эгидой которого велась работа, предпочитая сжигать газ, а не увеличивать его качество за счет облучения эксилампами. Но это уже к вопросу об устройстве нашей экономики. Словом оптимизма у нас много - заказы на создание установок для различных целей у нас всегда есть. А дальнейшая судьба зависит уже от производственников.

> к вопросу Прикупца Леонида Борисовича
1. Мы связываем это с худшим охлаждением планарной сборки. Об этом, кажется, в нашей статье (Авдеев С.М., Ерофеев М.В., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Планарные эксилампы барьерного разряда // Оптика атмосферы и океана. – 2008. – Т. 21. – №8. – С. 725–727.)
2. Мы сейчас занимаемся проектированием 500 Вт системы, но, думаю, в этом диапазоне мощностей эксилампы будут проигрывать по срокам службы традиционным дуговым лампам. Но не забывайте про их спектр, он иной чем у ртутный ламп.)
3. Спад лучистого потока XrBr-эксиламп мы тестировали только до 4500 тысяч часов. Спада практически не было (несколько процентов).

> К вопросу Ракутько Сергея:
1. Температура зависит от мощности возбуждения. Тут всё может варьироваться от комнатной до пары сотен градусов.
2. Конечно, возможно, на основе погружных эксиламп сделано целое семейство фотореакторов, см., например (Соснин Э.А. Эксилампы и новое семейство газоразрядных ультрафиолетовых облучателей на их основе // Светотехника. 2006. №6. С.25-31.)

> К вопросу Олега Попова:
Работы по ВЧ ведем совместно с Москвой. Но пока очень вяло. Трудности здесь чисто организационные, поскольку я - в Томске, а москвичи в Москве. У меня просто не хватает рук, чтобы заниматься всеми перспективными идеями, их реализацией…

» Соснин Эдуард (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 11:06:37 }

Олег! А может на с вами как-то заколлаборироваться и дело пойдет быстрее?

» Соснин Эдуард (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 11:06:46 }

Олег, а может нам как-то скоординироваться и начать совместные исследования по СВЧ и ВЧ возбуждению? (Эдуард Соснин)

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
32 queries. 0.105 seconds.