B28 Эксилампы с высокой импульсной мощностью излучения

Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Ерофеев М.В., Ломаев М.И., Рыбка Д.В., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

В настоящее время источники спонтанного излучения (эксилампы) на основе неравновесного излучения эксимерных или эксиплексных молекул в УФ- и ВУФ-областях спектра привлекают многих исследователей и находят широкое применение в различных областях науки и техники [1-3]. Наиболее часто для возбуждения эксиламп используются безэлектродные барьерный и ёмкостной разряды [1, 2]. В этом случае при частотах следования импульсов возбуждения десятки-сотни кГц удается достигать средних мощностей излучения
~ 100 Вт и более при плотности мощности излучения до 100 мВт/см2. Однако, в ряде практических применений необходимо спонтанное УФ- и ВУФ-излучение с большой импульсной мощностью. Для его получения можно использовать объемные импульсные сильноточные разряды при повышенных давлениях в инертных газах, а также их смесях с галогенами [4-7].

В настоящей работе представлены результаты исследований импульсных источников излучения на основе объемных разрядов инициируемых пучком электронов лавин (ОРИПЭЛ). Эти разряды формируются в неоднородном электрическом поле без источника дополнительной предыонизации и обеспечивают в инертных газах и их смесях с галогенами при повышенных давлениях удельные мощности возбуждения ~ 100 МВт/см3.

При проведении экспериментов по исследованию ОРИПЭЛ использовались 3 установки. Первая установка (рис. 1) состояла из первичного емкостного накопителя, импульсного трансформатора, коаксиальной линии с волновым сопротивлением 10 Ом, обострительного разрядника, газового диода, системы откачки и приготовления рабочей смеси. Конструкция разрядного промежутка с частью коаксиальной линии приведена на рис. 1. Длительность импульса напряжения генератора составляла ~50 нс на согласованной нагрузке.

Вторая установка  показана на рис. 2. Она использовалась для исследования разряда в чистых инертных газах и их смесях с галогенами (Cl2 и Br2). Установка состояла из разрядной камеры с внутренним диаметром 36 мм и генератора. Разряд формировался между плоским латунным анодом 1, соединенным с корпусом камеры через токовый шунт 3 из чип-резисторов (типоразмер 2010), и катодом 2, изготовленным в виде трубки из стальной фольги. Расстояние между анодом и катодом могло изменяться от 5 до 15 мм. Импульс высокого напряжения с длительностью переднего фронта ~0.5 нс, амплитудой ~150 кВ и длительностью импульса на полувысоте ~1.5 нс при работе на согласованную нагрузку от генератора РАДАН-150 подавался на катод через изолятор 5. Для регистрации напряжения на разрядном промежутке использовался емкостной делитель напряжения 6. Частота следования импульсов составляла 1 Гц. Установка 3 была подобна установке 2, но имела большие размеры. Внутренний диаметр разрядной камеры равнялся 50 мм и использовался генератор РАДАН-220. Этот генератор формировал импульсы высокого напряжения с длительностью переднего фронта ~0.5 нс, амплитудой ~250 кВ и длительностью импульса на полувысоте ~2 нс при работе на согласованную нагрузку. Регистрацию импульса излучения проводили с помощью вакуумного фотодиода ФЭК-22 СПУ c известной спектральной чувствительностью, сигнал с которого подавался на осциллограф Tektronix TDS-6604 с полосой пропускания 6 ГГц, 20 Gs/s. В работе приводятся плотности мощности излучения, получаемые на выходном окне газоразрядной камеры. Спектр излучения разряда регистрировался спектрометром StellarNet EPP2000-C25 и вакуумным монохроматором VM-502.

Рисунок 1. Конструкция газоразрядной камеры: 1-окно; 2-токовый шунт;
3-анодная сетка; 4-катод; 5-полиэтиленовый изолятор;
6-обострительный разрядник; 7-коаксиальная линия
Рисунок 2. Газоразрядная камера.
1-анод, 2-катод, 3-токовый шунт,
4-кварцевое окно, 5-изолятор,
6-емкостной делитель напряжения

Разряд в Xe, полученный на первой установке, имел форму усеченного конуса с основанием на аноде. Диаметр излучающей области (разрядной плазмы) вблизи катода равнялся ~6 см, вблизи сетчатого анода ~8 см, а межэлектродный зазор 4.5 см. Максимальная мощность излучения на димерах Xe2* в области 140-200 нм в полный телесный угол была получена при давлении ксенона 760 Торр и составила ~8 МВт. Длительность импульса излучения на полувысоте при этом не превышала ~100 нс, а плотность мощности излучения при длительности импульса возбуждения десятки наносекунд составила ~2´104 Вт/см2. Исследования показали, что мощность излучения димеров ксенона на данной установке возрастает с ростом давления ксенона, вплоть до давления 1 атмосфере, рис. 3.

 

Рисунок 3. Зависимость мощности
 излучения от давления ксенона
Рисунок 4. Фотография разряда
в He при давлении
 12 атм

Излучательные характеристики плазмы объемного сильноточного разряда в инертных газах при давлении выше 1 атм  проводились при использовании установки 3. Плоский анод и катод с малым радиусом кривизны обеспечивали усиление поля у катода. Межэлектродное расстояние варьировалось от 4 до 16 мм. При увеличении давления наиболее однородный разряд формировался в Не. Внешний вид разряда при давлении
12 атм приведен на рис. 4. В этих условиях в газовом диоде формировался сверхкороткий лавинный электронный пучок, в том числе при давлении 15 атм. Длительность импульса тока пучка на полувысоте не превышала 100 пс.

В тяжелых газах контракция наблюдалась при давлении ниже 12 атмосфер. Так в ксеноне наблюдались искровые каналы уже при давлениях 3-4 атм. В то же время, мощное излучение полосы димера ксенона регистрировалось при давлении до
12 атм. На рис. 5 показана зависимость длительности импульса ВУФ излучения, мощность и энергия излучения от давления Xe. При некотором уменьшении энергии излучения мощность излучения увеличивалась с ростом давления ксенона и составила ~ 1 MВт/см3 при давлении 12 атм. При этом длительность импульса излучения составила t1/2 ~ 8 нс.

 


Рисунок 5. Зависимость длительности импульса ВУФ-излучения (a), мощность (b) и энергия излучения (c) от давления Xe

Исследования разряда в галоидах инертных газов, возбуждаемых ОРИПЭЛ, проводились в диапазоне давлений рабочих смесей от 60 до 750 Торр при различных соотношениях инертный газ/галоген. Импульсная мощность излучения плазмы объемного разряда росла с увеличением межэлектродного промежутка. При низких давлениях (60-120 Торр) и величине межэлектродного расстояния 12 мм разряд представлял собой однородное диффузное свечение конической формы. С увеличением давления разряд приобретал вид диффузного канала с диаметром ~ 3 мм, который при давлении выше 500 Торр контрагировал и переходил в искру. При увеличении содержания галогена в рабочей смеси контракция наступала при более низких давлениях и мощность излучения уменьшалась. Максимальные плотности мощности излучения объемного разряда в смесях Xe-Cl2, Kr-Cl2, Xe-Br2 были получены при давлении 500 Торр и соотношении инертный газ/галоген=50/1. Для смеси Kr/Br2 оптимальным, с точки зрения получения максимальной плотности мощности излучения, было давление 750 Торр при соотношении Kr/Br2=100/1. Максимальные импульсные плотности мощности излучения молекул KrCl*, XeCl*, XeBr* и KrBr* составили 3.7 кВт/см2, 3.1 кВт/см2, 4.5 кВт/см2 и 2.1 кВт/см2 при эффективностях 5 %,
4.8 %, 5.5 % и 4 %, соответственно. В этих условия величина вложенной в плазму разряда энергии составляла 1 Дж.

Длительности импульсов излучения плазмы объемных разрядов в галогенидах инертных газов, полученные в оптимальных с точки зрения светового выхода условиях, составляли 30-40 нс на полувысоте амплитуды. Спектры излучения свечения плазмы объемных наносекундных разрядов в смесях Kr-Cl2, Xe-Cl2, Xe-Br2 состояли из узких (несколько нм на полувысоте) интенсивных полос B-X переходов и слабоинтенсивных полос D→A и C→A переходов соответствующих эксиплексных молекул. С увеличением давления рабочей смеси доля энергии, излучаемой в полосах D→A и C→A переходах, уменьшалась, а при давлении 500 Торр в полосах B→X  было сосредоточено до 90% энергии всего излучения. Спектр излучения свечения разряда в смеси Kr/Br состоял из полос B-X переходов молекул KrBr* (206 нм) и Br*2 (289 нм), а также полос C→A (222 нм) и B→A (228 нм) переходов молекулы KrBr*. Причем соотношения интенсивностей полос переходов молекул KrBr* и Br*2 изменялись в зависимости от содержания Br2 в рабочей смеси: чем больше доля Br2, тем менее интенсивными становятся полосы B→X, C→A и B→A переходов молекулы KrBr*.

Таким образом, в работе показана возможность получения объемного разряда, инициированного пучком электронов, в гелии при давлении 15 атм. Показано, что при ОРИПЭЛ возбуждении не менее 90 % энергии излучается димерами Xe, Kr, Ar. В ксеноне при возбуждении от высоковольтного наносекундного генератора РАДАН-220 при давлении 1.2 атм энергия спонтанного излучения в полный телесный угол равнялась ~ 45 мДж/см3 при длительности импульса излучения на полувысоте 110 нс. При давлении 12 атм мощность излучения достигала ~1 МВт /см3 при длительности импульса 8 нс. Максимальная мощность излучения димеров Xe2* в диапазоне длин волн 140-200 нм была получена на установке №1 при давлении 1 атм и составляла ~ 
8 МВт. Максимальные импульсные плотности мощности излучения молекул KrCl*, XeCl*, XeBr* и KrBr* составили  3.7 кВт/см2,  3.1 кВт/см2,  4.5 кВт/см2  и  2.1 кВт/см2  при  эффективностях  5 %, 4.8 %, 5.5 % и 4 %, соответственно. Длительности импульсов излучения на полувысоте, полученные в оптимальных условиях, составили 30-40 нс. Спектры излучения плазмы объемных разрядов в Kr-Cl2, Xe-Cl2, Xe-Br2 состоят из узких (несколько нм на полувысоте) интенсивных полос B-X переходов соответствующих молекул.

Литература:

  1. Kogelschatz U. Excimer Lamps: History, Discharge Physics, and industrial Applications // Proceedings of SPIE. 2004. Vol. 5483 (SPIE, Bellingham, WA, 2004). P. 272-286.
  2. Ломаев М.И., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В., Скакун В.С., Ерофеев М.В., Лисенко А.А.  Эксилампы барьерного и емкостного разрядов и их применения // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 5. C. 5-26.
  3. Zhu W., Takano N., Schoenbach K.H., Guru D., McLaren J., Heberlein J., May R. and Cooper J.R. Direct current planar excimer source // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 3896-3906.
  4. Алексеев С.Б., Губанов В.П., Костыря И.Д., Орловский В.М., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф. Объемный импульсный разряд в неоднородном электрическом поле при высоком давлении и коротком фронте импульса напряжения // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. С. 1007-1010.
  5. Бакшт Е.Х., Ломаев М.И., Рыбка Д.В.. Тарасенко В.Ф. Излучение плазмы объемного наносекундного разряда в ксеноне, криптоне и аргоне при повышенном давлении // Квантовая электроника. 2006. Т. 36. №.6. С. 576-580.
  6. Ломаев М.И., Месяц Г.А., Рыбка Д.В., Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х. Мощный короткоимпульсный источник спонтанного излучения на димерах ксенона // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. С. 595-596.
  7. Ерофеев М.В., Тарасенко В.Ф. Излучение объемного разряда в галогенидах инертных газов без источника предыонизации // Квантовая электроника. 2008. Т. 38. С. 250-252.

Тематика:

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
22 queries. 0.089 seconds.