ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к газоразрядным источникам излучения на основе барьерного разряда и может быть использована в различных областях науки и техники, где необходимо ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение, например, в фотохимии, фотобиологии, фотомедицине, микроэлектронике.
Известные источники излучения, на основе барьерного разряда предназначенные для облучения, выполнены в форме колбы коаксиального типа, заполненной смесями инертных газов и галогенов или чистыми инертными газами.
Конструктивно лампы барьерного разряда представляют собой колбы из диэлектрического, прозрачного на рабочей длине волны материала, на поверхности которых расположены металлические электроды, к которым прикладывается импульсное или синусоидальное напряжение с частотами от нескольких Гц до нескольких МГц. Конструкции этих устройств могут быть различными (коаксиальными, планарными, цилиндрическими) в зависимости от давления рабочей среды, амплитуды и частоты прикладываемого напряжения. Пробой осуществляется между диэлектрическими барьерами, создавая неравновесную плазму, энергия электронов которой может достигать нескольких электрон-вольт, в то время как характерная температура тяжелых частиц сопоставима с температурой диэлектрических барьеров и не превышает, как правило, 100 C. Использование барьерного разряда обеспечивает чистоту спектров излучения, долговечность рабочей среды, электробезопасность эксплуатации (что связано с небольшими величинами тока - до десятка мА). Ресурс работы этих устройств зависит от давления рабочей смеси газов, конструктивного исполнения, режима ввода энергии в газовую среду и режима охлаждения [1].
Известен источник излучения, который содержит две коаксиально установленные, цилиндрические трубки из диэлектрика, пространство между трубками заполнено газовой средой, металлические электроды, один из которых - высоковольтный - сплошной и расположен во внутренней трубке, а второй - перфорирован и размещен на внешней поверхности внешней трубки, источник питания [2]. Для повышения ресурса работы газовой смеси и увеличения плотности мощности излучения источник находится в ванне с хладагентом, прозрачным для формируемого излучения. Такая система конструктивно сложна за счет элементов сбора излучения и элементов охлаждения.
Известны источники излучения, содержащие разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы [3, 4].
Для увеличения срока службы указанных приборов применяются различные способы охлаждения:
Прокачка газовой смеси через рабочую зону [5] ведет к высокому расходу газов, как правило, дорогостоящих.
Применяется охлаждение внутренней трубки через помещенный в нее теплообменник с развитой поверхностью и имеющий хороший тепловой контакт с поверхностью кварцевой трубки [6]. Такой теплообменник сложен в изготовлении и требует использования компрессора для обеспечения прокачки воздуха через него.
Известны источники излучения, в которых для форсированного охлаждения газовой среды в колбе используется поток жидкого хладагента, который может контактировать непосредственно со стенками колбы или с металлическим радиатором, в который колба помещается [7]. В этом случае недостатком является усложнение конструкции, а именно, необходимость использования в качестве теплоносителя жидкости с большим удельным сопротивлением (деионизованная вода), внешнего теплообменника (и двойного контура охлаждения).
Известны источники излучения с воздушным охлаждением, например [8]. Он содержит разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки и состоит из перфорированного сегмента и сплошного отражающего. При этом высоковольтный электрод выполнен так, что часть поверхности, расположенная напротив перфорированного сегмента электрода, прилегает к внутренней стенке колбы, образуя при этом газоразрядный и буферный объем колбы. Источник излучения может дополнительно содержать корпус', обеспечивающий охлаждение потоком воздуха. Источник питания может быть размещен как в корпусе, так и снаружи. При использовании протяженных колб внешнее воздушное охлаждение становится неэффективным, поскольку охватывает только один торец колбы. Это приводит к снижению энергетической освещенности и ресурса прибора при увеличении вкладываемой в газ энергии.
Таким образом, среди существующих коаксиальных источников излучения на основе барьерного разряда сложно обеспечивать высокий ресурс работы и высокую энергетическую светимость, одновременно, не прибегая к внешнему форсированному охлаждению жидкостью или воздухом и усложнению конструкции.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции, отказ от принудительного охлаждения источника излучения на основе барьерного разряда и, одновременно, сохранение его ресурса и энергетической светимости.
Техническим результатом является охлаждение за счет конвекции в упрощенной конструкции лампы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в источнике излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащим разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, заземленный электрод является перфорированным, расположен на поверхности внешней трубки, высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы и выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив сегмента заземленного электрода, согласно техническому решению, ориентация и размеры электродов подчиняются соотношениям:
где β - угол отклонения края электрода от нормали, проходящей через поперечное сечение колбы; α - угол, в котором располагаются внешний и внутренний электроды.
Указанные размеры и ориентация электродов обеспечивают максимальную скорость конвекции газовой среды (при прочих равных условиях), что, в конечном счете, обеспечивает конструкции простоту в сравнении с аналогами, не требует применения внешнего принудительного охлаждения и обеспечивает повышенные величины энергетической светимости излучения и срока службы газовой среды.
На фиг. 1 изображен источник излучения.
Колба источника излучения выполнена из цилиндрических трубок 1 и 2 из диэлектрика, внешняя трубка 2 выполнена из материала прозрачного на рабочей длине волны. Колба заполнена рабочей средой. Внешний электрод 3 - перфорированный - размещен на внешней поверхности. Во внутренней трубке 1 расположен высоковольтный электрод 4. Оба электрода являются сегментированными, расположение и размеры которых определяются соотношениями α<180°, 0<β<180°, где α - угол, в котором располагаются сегменты внешний и внутренний электроды; β - угол отклонения края электрода от нормали, проходящей через сечение колбы (т.е. от оси z). К электродам 3 и 4 подключен источник питания 6. В результате трубки и электроды образуют газоразрядный промежуток 5.
Устройство работает следующим образом. При подаче на электроды 3, 4 импульса напряжения от источника питания 6 происходит зарядка внутренних областей стенок колбы, расположенных под электродами и пробой между газоразрядного промежутка 5. Эта область является активной (А), а зона, где разряд не горит - буферной (Б). Затем в рабочей среде в промежутке 5 зажигается газовый разряд. Излучение выходит наружу колбы через внешний электрод 3. За счет конвекции разогретая газовая смесь движется вверх, попадая в буферное плечо из активного, охлаждается и вновь поступает в активное плечо. Соотношения на углы α и β отвечают условиям, в которых скорость конвекции максимальна для различных размеров и ориентации электродов. Условие на угол (5 определяет конвекцию, но также на тот факт, что для обеспечения облучения какого-либо объекта требуется вывод излучения в одну сторону, а при α>180° часть излучения, которая выводится через края внешнего электрода, не достигает облучаемого объекта, либо имеет очень низкую интенсивность (что соответствует непродуктивным затратам энергии).
2
in
Экспериментальные исследования заявляемого источника излучения показали следующее. Колба была выполнена из спаянных на торцах кварцевых трубок (марка кварца ТКг, ООО «Технокварц») 1 и 2 с известным пропусканием в области ультрафиолетового излучения. Геометрические параметры колбы таковы: внешние диаметры трубок 43 и 24 мм; величина газоразрядного промежутка 7.7 мм; активная длина лампы 120 мм. Колба заполнялась смесью Xe:cl при давлениях до 200 Торр. Разряд зажигался в промежутке 5 между электродами 3 и 4 при подаче на них импульсного напряжения (импульсы напряжения имеют форму разнополярных меандров) амплитудой до 4 кВ, длительностью импульса на полувысоте 1.2 мкс и частотой повторения импульсов f от 15 до 90 кГц. Для управления конвекций использовались разные рабочие давления (p), энерговклады в среду (P), частоты f, ориентация и ширина электродов (углы α и β). Охлаждение колбы во время испытаний не применялось.
2
2
Например, проведены испытания при фиксированной величине α=180° и различных величинах β в смеси Xe:Cl=200:1, давлении смеси 135 Торр и одинаковых величинах рассеиваемой в плазме мощности. В этих условиях при β=-90°, 0° и 90° получены величины энергетической светимости излучения 7.2, 18.4 и 16.1 мВт/см, соответственно. Т.е. при работе в условиях, нарушающих соотношения для углов α и β получены в 2.2÷2.5 раза меньшие величины энергетической светимости. Это объясняется нарушением непрерывной конвекции газовой смеси, которая не выносится конвективно из активной зоны и перегревается. Это снижает интенсивность излучения и увеличивает скорость реакции перегретого газа со стенками, что, в свою очередь, ведет деградации смеси и снижению ресурса работы устройства.
2
2
Еще пример. Проведены испытания при фиксированной величине α=106° и различных величинах β в смеси Xe:Cl=200:1, давлении смеси 135 Торр и одинаковых величинах рассеиваемой в плазме мощности. В этих условиях При β=-53°, 37° и 127° получены величины энергетической светимости излучения 6.3, 14 и 13 мВт/см, соответственно. Т.е. при работе в условиях, нарушающих соотношения для углов α и β получены примерно в 2 раза меньшие величины энергетической светимости. С ростом рассеиваемой в плазме мощности это соотношение увеличивается, что также связано с увеличением скорости конвекционного потока через активную область А (фиг. 1).
Аналогичные зависимости были получены и при других условиях испытаний.
Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что в предложенной простой конструкции, не требующей принудительного охлаждения, при заданных условиях для углов α и β происходит интенсификация конвекции, что увеличивает ресурс и энергетическую светимость прибора.
Источник излучения обеспечивает отказ от принудительного охлаждения и энергетической светимости.
Используемая литература
1. Бойченко A.M., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. - Томск: STT, 2011. - 512 с.
2. von Arx Christoph. Von Bestrahlungseinrichtung mit einem Hochleistungsstrahler // Patent EP 0517929 A1.
3. Patent EP 0517929 A1., опубл. 16.12.1992; Esrom H., Kogelschatz U. Modification of surfaces with new excimer UV sources // Thin Solid Films. 1992. V. 218. P. 231-246.
4. Oppenländer T. Photochemical Purification of Water and Air. Weincheim: Wiley-Vch Verlag, 2003. - 368 p.
5. Matsuzawa S., Sumimoto Т., Yoshioka M., Matsuno H., Hiramoto T. // Proc. Of 10th Int. Symposium on the Science and Technology of Light Sources (Toulouse, France, July 18th-22nd, 2004). L-16. P. 175.
6. Патент RU 2310947 C1, опубл. 20.11.2007
7. Patent US 5198717 A, опубл. 13.03.1993.
8. Патент RU 2271590 C2, опубл. 10.03.2007.