СПОСОБ НАКАЧКИ ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ГАЗАМИ В РАБОЧЕЙ СМЕСИ Российский патент 1997 года по МПК H01J61/80 H01J61/67 

Изобретение относится к области светотехники, более конкретно к способам накачки ламп тлеющего разряда с электроотрицательными газами в рабочей смеси. Подобные лампы последнее время интенсивно исследуется и начинают применяться в науке и технике.

Известны способы накачки ламп тлеющего разряда с электроотрицательными газами, заключающиеся в пропускании постоянного тока через лампу [1,2] При реализации этих способов накачки благодаря правильному выбору рабочей смеси получены сравнительно высокие эффективности излучения на молекулах KrCl^* и XeCl^*. Однако при накачке постоянным током распределение мощности излучения по длине лампы неравномерное.

Известны также способы накачки ламп тлеющего разряда с электроотрицательными газами в рабочей смеси, основанные на пропускании импульсов тока через рабочую смесь [3-5] Способ [5] по совокупности существенных признаков выбран нами в качестве прототипа. Из-за неоптимальных параметров импульсов накачки (плотности тока, длительности импульса, соотношения между длительностью импульса и длительностью паузы между импульсами), а также состава рабочей смеси в указанных способах получены низкие средние мощности излучения и КПД, в частности на переходах молекул KrCl^* и XeCl^*.

Задачей настоящего изобретения является повышение средней мощности излучения и КПД лампы.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известном способе накачки лампы тлеющего разряда с электроотрицательными газами в рабочей смеси, заключающемся в подаче напряжения на электроды и пропускании тока через рабочую смесь, согласно изобретению напряжение подают однополярными импульсами длительностью t, выбранной из условия 10^-5c ≅ t ≅ 10^-2с, и величиной амплитуды, превышающей величину напряжения зажигания разряда и достаточной для пропускания через лампу однополярного тока, величина средней плотности j которого для каждого импульса напряжения лежит в пределах 10^-2A/см² ≅ j ≅ 10^-1A/см², в течение времени t₁, определяемого соотношением 0,25t ≅ t₁ ≅ 0,7t.

При подаче импульсов напряжения на электроды лампы происходит пробой рабочего газа, приводящий к протеканию однополярного тока через лампу во время действия импульса напряжения. При протекании тока рабочая смесь возбуждается и ионизируется. Далее в результате плазмохимических реакций образуются эксиплексные молекулы RX^*, излучение которых является полезным излучением лампы.

На фиг.1 представлена схема устройства, с помощью которого реализируется заявляемый способ; на фиг.2 график зависимости КПД лампы от плотности тока.

Схема устройства содержит импульсный источник накачки 1 и цилиндрическую кварцевую трубку 2, на торцах которой установлены патрубок для откачки и напуска рабочей смеси 3 и электроды 4. Кварцевая трубка 2 с электродами 4 является излучателем лампы.

Устройство работает следующим образом.

В излучатель лампы напускается рабочая смесь, например смесь криптона с хлором, и включается источник (генератор) накачки 1, который обеспечивает подачу на электроды 4 однополярных импульсов напряжения с длительностью 10^-5с ≅ t ≅ 10^-2с и величиной амплитуды, превышающей величину напряжения пробоя рабочей смеси, что приводит к развитию импульсного разряда между электродами 4. После пробоя рабочей смеси источник накачки 1 обеспечивает через излучатель лампы протекание тока со средней плотностью j, величина которой лежит в пределах 10^-2A/см² ≅ j ≅ 10^-1A/см², в течение времени t₁, определяемого соотношением 0,25t ≅ t₁ ≅ 0,7t. При протекании тока через рабочую смесь в результате возбуждения и ионизации криптона и диссоциативного прилипания электронов к Cl₂ (для смеси Kr-Cl₂) преимущественно за счет гарпунной реакции образуются молекулы KrCl*, которые ≈80% энергии излучают на переходе В-Х, λ ≈ 222 нм. Работа при вышеуказанных диапазонах параметров позволяет получать максимальные эффективности и средние мощности излучения при сравнительно равномерном распределении плотности излучения по длине лампы.

В качестве примера приведем результаты реализации заявляемого способа при получении излучения на молекулах KrCl^*, l ≈ 222 нм, в смесях Kr-Cl₂(HCl), обосновав указанные пределы по плотности тока, длительности импульса тока и соотношение между длительностями импульсов тока и пауз между импульсами тока. Так, при проведении испытаний была получена средняя мощность излучения в области l ≈ 222 и 308 нм >100 Вт при КПД до 14% что существенно превышает результаты, полученные в прототипе [5] и аналогах [1-4]
С увеличением плотности тока КПД вначале возрастает, достигает максимума при j ≈ 3•10^-2А/см², а затем начинает уменьшаться. Так, при j ≈ 10^-1A/см² КПД излучения молекул KrCl^* уменьшился в 2 раза. Экспериментально полученная зависимость КПД от плотности тока приведена на фиг. 2. При уменьшении плотности тока j <10^-2A/см² разряд становится нестабильным и мощность излучения уменьшается на порядок и более. На основании этих и подобных экспериментов и был выбран диапазон заявляемых плотностей тока.

При длительностях импульсов ≥ 10^-2с, когда разряд приближается к непрерывному начинает ухудшаться распределение плотности мощности излучения по длине трубки, подобно [4] а также уменьшаются в стационарном режиме на ≈15% средняя мощность излучения и КПД. При сокращении длительности импульсов <10^-5с средняя мощность и КПД также начинают уменьшаться из-за того, что время формирования разряда становится соизмеримым с длительностью импульсов тока. Отметим, что при длительностях импульсов ≅ 5•10^-7c эффективность и средняя мощность излучения уменьшаются более чем на порядок.

Замена однополярных импульсов накачки на двухполярные в оптимальных условиях приводила к снижению средней мощности излучения и КПД более чем на 25%
Изменение соотношения между длительностью импульса тока и длительностью паузы между импульсами показало, что при t₁≥ 0,7t режим накачки начинает приближаться к режиму накачки непрерывным током, что приводит к снижению КПД лампы и ухудшению однородности распределения средней мощности излучения по длине лампы. Так, для KrCI-лампы при t₁ > 0,7t средняя мощность излучения уменьшилась на 15% При t₁ 0,25t для KrCI-лампы КПД излучения уменьшился на 30% и далее при t₁ > 0,25t продолжал уменьшаться.

Кроме излучения молекул KrCI^*, нами также были исследованы параметры накачки и излучения молекул XeCI^*, l ≈ 308 нм, как в двойных смесях Xe CI₂ (HCI), так и в тройных с буферными газами гелием или неоном и были получены аналогичные результаты. Измерения для смесей Xe NF₃, в которых излучают молекулы XeF^*, l ≈ 305 нм, проведенные для более узкого диапазона параметров по плотностям тока и длительностям импульсов, также подтверждают указанные в предлагаемом изобретении параметры по плотностям тока и длительностям.

Источники информации
1. А.П. Головинский. Возможности создания эффективных ультра- фиолетовых излучателей на основе непрерывного тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов // Письма в ЖТФ, т.18, с.73-76, 1992.

2. А. П. Головинский. В.С. Кан. Характеристики ультрафиолетового эксимерного излучения непрерывного тлеющего разряда низкого давления // Оптика и спектроскопия, т.75, в.3, с.604-609, 1993.

3. В.А. Визирь, В.С. Скакун, Г.В. Сморудов, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко, Е. А. Фомин. Коаксиальные эксилампы, накачиваемые барьерным и продольным разрядами // Квантовая электроника, т.22, N 5, с.519-522, 1995.

4. H. Kumagai, M. Obara. Theoretikal and Experimental Study of KrF Fluorescence in a Multimicrosecond Longitudinal Discharge // IEEE Transactions on Plasma Science, v.16, N 4, p.453-458.

5. R.S. Taylor, K.E. Leopold, and K.O. Tan. Continuons B-X excimer fluorescence using direct current discharge excitation // Appl. Phys. Lett. v. 59, N 5, p.525-527, 1991.

Использование: светотехника, в частности накачка ламп тлеющего разряда с электроотрицательными газами в рабочей смеси. Изобретение решает задачу повышения средней мощности излучения и КПД лампы. Сущность изобретения заключается в подаче напряжения на электроды лампы и пропускании тока через рабочую смесь. При этом напряжение подают однополярными импульсами длительностью t, выбранной из условия 10^-5c ≅ t ≅ 10^-2c, и величиной амплитуды, превышающей величину напряжения зажигания разряда и достаточной для пропускания через лампу однополярного тока, величина средней плотности j которого для каждого импульса напряжения лежит в пределах 10^-2A/см² ≅ j ≅ 10^-1A/см², в течение времени t₁, определяемого соотношением 0,25t ≅ t₁ ≅ 0,7t. 2 ил.

Способ накачки лампы тлеющего разряда с электроотрицательными газами в рабочей смеси, заключающийся в подаче напряжения на электроды и пропускании тока через рабочую смесь, отличающийся тем, что напряжение подают однополярными импульсами длительностью t, выбранной из условия 10^- 5 с ≅ t ≅ 10^- 2 с, и величиной амплитуды, превышающей величину напряжения зажигания разряда и достаточной для пропускания через лампу однополярного тока, величина j средней плотности которого для каждого импульса напряжения лежит в пределах 10^- 2 А/см² ≅ j ≅ 10^- 1 А/см², в течение времени t₁, определяемого соотношением 0,25 t ≅ t₁ ≅ 0,7 t.