ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H01J65/00 

Изобретение относится к источникам излучения, в частности, к лампам барьерного разряда и может быть использовано в различных областях науки и техники, где необходима подсветка коротковолновым ультрафиолетовым или вакуумным ультрафиолетовым излучением, например в фотохимии, в фотобиологии, фотоионизационных приборах.

Для получения ультрафиолетового излучения С-типа (200<λ<280 нм) известны различные миниатюрные светодиоды на основе алмаза (235 нм), нитрида бора (215 нм), нитрида алюминия (210 нм) и других материалов [1-4]. Например, светодиод UVTOP240 [4] в зависимости от конструктивного исполнения обеспечивает мощность излучения от 20 до 70 мкВт при спектре излучения с максимумом на λ=242 нм и полушириной спектральной полосы Δλ1_/2~12 нм.

К недостаткам этого прибора относится низкая интенсивность излучения и высокая цена. Кроме того, коротковолновые светодиоды требуют особых правил хранения (до непосредственного использования их следует хранить в защитной атмосфере (азот, вакуум), чувствительны к статическому электричеству при монтаже и к температурному режиму при эксплуатации. Последнее приводит к необходимости использования специальных радиаторов, что не позволяет провести плотный монтаж нескольких светодиодов вплотную друг к другу для увеличения интенсивности локальной засветки на уровне мВт/см².

Следует также отметить, что увеличение цены и резкое сокращение его срока службы (до десятков часов) характерно именно для светодиодов, обеспечивающих излучение в коротковолновом диапазоне спектра (λ<250 нм). Светодиодов, обеспечивающих вакуумное ультрафиолетовое излучение (ВУФ) на λ<190-200 нм, нет.

Все сказанное препятствует использованию таких устройств в случаях, когда необходимо долгое время использовать излучение на длинах волн λ<240 нм.

Известны источники излучения (эксилампы) барьерного разряда, которые обеспечивают узкополосное излучение как в различных частях УФ-С- и ВУФ-диапазонов спектра за счет применения различных рабочих сред [5]. Так, полосы излучения молекул $$K{r}_2^{*}$$ , $$X{e}_2^{*}$$ , KrBr*, KrCl* имеют максимумы на длинах волн 146, 172, 207, 222 нм, соответственно, а плотность мощности составляет от единиц до сотен мВт/см², что на несколько порядков выше, чем у коротковолновых светодиодов. Ресурс работы таких устройств может варьироваться, что зависит как от давления рабочей смеси, так и от их конструктивного исполнения, и составляет от тысячи до нескольких десятков тысяч часов [5]. Известна конструкция эксилампы, в которой излучение концентрируется в плоскости небольшого выходного окна [6], а не рассеивается во все стороны, что важно для обеспечения точечной подсветки в фотохимических и фотобиологических экспериментах и, например, при создании фотоионизационных приборов.

Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемого устройства, взятым за прототип, является источник излучения, содержащий газоразрядную колбу с выходным окном, образованную двумя расположенными перпендикулярно друг к другу цилиндрическими трубками из диэлектрика, ось внутренней трубки располагается параллельно плоскости выходного окна. Колба заполнена инертным газом или его смесью с галогеноносителем и содержит два электрода, один из которых расположен во внутренней трубке, а второй перфорирован и размещен на поверхности выходного окна, а также источник питания, подключенный к обоим электродам [7].

В известном источнике излучения при подаче импульсного напряжения на электроды между внутренней поверхностью внутренней трубки и выходным окном формируется барьерный разряд, а излучение выводится через выходное окно.

Объем, занимаемый микроразрядами, относительно мал по сравнению с полным объемом колбы. Это и форсированное воздушное охлаждение через внутреннюю трубку позволяет уменьшить скорость деградации газовой среды, повысить энерговклад в среду и, соответственно, увеличить плотность мощности излучения источника, увеличить стабильность излучения. Высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке, что делает использование источника излучения безопасным для оператора. Таким образом, несмотря на портативность и повышенный ресурс работы смеси источник сложен и дорог в изготовлении, а для получения точечной засветки необходимо использовать диафрагму на выходном окне.

Таким образом, среди существующих источников коротковолнового излучения трудно одновременно сохранить высокий ресурс, обеспечить интенсивную точечную засветку в плоскости выходного окна и, одновременно, сделать устройство портативным, простым и дешевым в изготовлении.

Задачей данного изобретения является упрощение конструкции, снижение стоимости источника и, одновременно, обеспечение высокого срока службы и высоких значений плотности мощности излучения в плоскости выходного окна.

Указанная задача достигается тем, что в источнике излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащим цилиндрическую колбу с плоским выходным окном, заполненную инертным газом или его смесью с галогеноносителем, источник питания, подключенный к двум электродам, один электрод перфорирован и размещен на внешней поверхности выходного окна, согласно изобретению высоковольтный электрод размещен на внешней поверхности цилиндрической колбы, соединенной с буферным объемом, его положение, а также диаметры выходного окна и цилиндрической колбы выбраны такими, чтобы не допустить пробоя по внешней поверхности колбы.

То, что выходное окно расположено в непосредственной близости от разряда, увеличивает плотность мощности излучения источника. В предложенной конструкции легко обеспечить надежный спай цилиндрической трубки и выходного окна, что снижает риск растрескивания элементов колбы в местах спая (в местах теплового градиента).

На фиг.1 изображен источник излучения.

Колба источника излучения состоит из выходного окна 1, прозрачного на рабочей длине волны, цилиндрической трубки 2 и буферного объема 3 произвольной формы, выполненных из диэлектрического материала. На внешней поверхности трубки 2 размещен высоковольтный металлический электрод 4, соединенный с источником питания 6. На внешней поверхности выходного окна 1 помещен перфорированный электрод 5, также соединенный с источником питания 6.

Устройство работает следующим образом.

При включении источника питания 6 на электроды 4, 5 подается импульс напряжения. Происходит зарядка внутренних областей стенки цилиндрической трубки 2 и выходного окна 1, пробой между этими областями, и внутри колбы, по месту спая окна 1 и трубки 2 зажигается поверхностный барьерный разряд. При низком давлении газовой среды разряд может иметь объемное свечение. Область, занимаемая разрядом, зависит от площади электрода 4 и расположения (его можно двигать вдоль оси трубки 2), давления и состава газовой среды. Объем, занимаемый разрядом относительно мал по сравнению с полным объемом колбы, в т.ч. буферным объемом 3. Это позволяет уменьшить скорость деградации газовой среды и повысить энерговклад в среду. То, что выходное окно расположено в непосредственной близости от разряда увеличивает плотность мощности излучения источника. Диаметры выходного окна 1 и цилиндрической трубки 2 выбраны такими, чтобы не допустить пробоя по внешней поверхности колбы.

Источник излучения портативен, прост и дешев в изготовлении и обеспечивает высокий срок службы и высокие значения плотности мощности излучения в плоскости выходного окна.

Экспериментальные исследования заявляемого источника излучения показали, что в сравнении с устройством аналогичного назначения (прототип) [7] источник обеспечивает высокий ресурс работы, конструктивно проще и дешевле в изготовлении, обеспечивает высокие значения плотности мощности излучения.

Предложенный источник представлял собой цилиндрическую колбу с диаметром 12 мм при диаметре выходного окна 28 мм и расстоянием между электродами 2 мм, что позволило исключить пробой между электродами по поверхности колбы. В качестве буферного объема использовалась цилиндрическая трубка диаметром 30 мм. Колба заполнялась смесью газов Kr и Cl₂ при различных соотношениях и при общем давлении до 200 мм рт.ст. На электроды от источника питания подавалось импульсное напряжение с частотой 16 кГц. В этих условиях потребляемая мощность устройства составляла 2.2 Вт, а плотность мощности ультрафиолетового излучения молекулы KrCl* (с максимумом на λ=222 нм и Δλ_1/2~1.8 нм) на выходном окне 1.3 мВт/см². Срок службы устройства в указанном режиме составляет не менее десятков сотен часов. При близких значениях потребляемой мощности светодиод UVTOP240 [4] обеспечивает в 18-65 раз меньшую мощность излучения и на несколько порядков меньший срок службы.

С увеличением потребляемой мощности устройства можно поднять величины плотности мощности ультрафиолетового излучения молекулы KrCl*. Например, при потребляемой мощности 13 Вт достигается плотность мощности излучения 9 мВт/см². Поэтому в сравнении с прототипом [7] обеспечиваются сопоставимые величины плотности излучения, но конструкция существенно упрощается и удешевляется. Срок службы увеличивается: у прототипа при длительной эксплуатации увеличивается риск растрескивания элементов колбы в местах спая в местах теплового градиента, а в предложенной конструкции легко обеспечить надежный спай цилиндрической трубки и выходного окна. Кроме того, в предложенном решении разряд зажигается в непосредственной близости от окна, что минимизирует потери и позволяет увеличить плотности мощности излучения в плоскости выходного окна.

Следует отметить, что заявленное устройство позволяет получать ВУФ-излучение, что неосуществимо при использовании светодиодов. Например, в описанной конструкции, заполненной ксеноном, при питании импульсным напряжением с частотой 80 кГц достигается плотность мощности ВУФ-излучения молекулы $$X{e}_2^{*}$$ (с максимумом на λ=172 нм) на выходном окне 15 мВт/см².

Таким образом, исследования источника излучения показали, что в сравнении с другими источниками коротковолнового излучения источник излучения обеспечивает высокий ресурс работы, является конструктивно более простым и дешевым в изготовлении в сравнении с [1-4, 6, 7], обеспечивая интенсивную точечную засветку в плоскости выходного окна.

Предложенный источник может использоваться для калибровки спектральной аппаратуры, возбуждения люминесценции различных сред и как источник фотоионизации, например фото-рентгеновских трубок (ФРТ) без накального катода [8].

Источники информации

1. Koizumi S., Watanabe K., Hasegawa M., Kanda H. Ultraviolet emission from a diamond pn junction // Science. - 2001. - 292 (5523): 1899-901.

2. Kubota Y., Watanabe K., Tsuda O., Taniguchi Т. Deep ultraviolet light-emitting hexagonal boron nitride synthesized at atmospheric pressure // Science. - 2007. - 317 (5840): 932-4.

3. Taniyasu Y., Kasu M., Makimoto T. An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres // Nature. - 2006. - 441 (7091): 325-8.

4. UV TOP® Deep UV LED Technical Catalogue. Sensor Electronic Technology, Inc., 2011.

5. 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.

6. Proceedings of the 7th Intern. Symposium on the Science and Technology of Light Sources (LS:7). Kyoto - Japan (27-31 August 1995), 45: P. p.162, 1995.

7. Соснин Э.А, Тарасенко В.Ф., Авдеев С.М., Шитц Д.В., Ерофеев М.В., Панарин В.А. Источник излучения // Патент RU 59324. - Приоритет 09.06.2006. - Рег. № заявки 2006120359/22 от 09.06.2006. - Опубл. 10.12.2006. Бюл. №34.

8. Серебряков А.С., Федьков Е.А. Фотоэлектронный прибор // Патент РФ №103231, зарегистрирован 27.03.2011 г.

Изобретение относится к источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда, и может быть использовано в различных областях науки и техники, где необходима подсветка коротковолновым ультрафиолетовым или вакуумным ультрафиолетовым излучением, например в фотохимии, в фотобиологии, фотоионизационных приборах. Технический результат - упрощение конструкции, повышение срока службы и плотности мощности излучения в плоскости выходного окна. Источник излучения содержит цилиндрическую колбу с плоским выходным окном, заполненную инертным газом или его смесью с галогеноносителем, источник питания, подключенный к двум электродам, один электрод перфорирован и размещен на внешней поверхности выходного окна. Высоковольтный электрод размещен на внешней поверхности цилиндрической колбы, соединенной с буферным объемом. Положение высоковольтного электрода а также диаметры выходного окна и цилиндрической колбы выбраны такими, чтобы не допустить пробоя по внешней поверхности колбы. 1 ил.

Источник излучения с возбуждением барьерным разрядом, содержащий цилиндрическую колбу с плоским выходным окном, заполненную инертным газом или его смесью с галогеноносителем, источник питания, подключенный к двум электродам, один электрод перфорирован и размещен на внешней поверхности выходного окна, отличающийся тем, что другой высоковольтный электрод размещен на внешней поверхности цилиндрической колбы, соединенной с буферным объемом, его положение, а также диаметры выходного окна и цилиндрической колбы выбраны не допускающими поверхностный пробой.