ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H01J61/30 

Изобретение относится к газоразрядным источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда, и может быть использовано в устройствах для оптических и аналитических исследований, где необходимо ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение, например, при калибровке спектральной аппаратуры, для фотоионизации газовых сред.

Источники для фотоионизации газовых сред и спектральной аппаратуры хорошо известны [1, 2]. Их эффективность и надежность определяются рядом факторов: стабильностью зажигания разряда; режимом охлаждения колбы; сроком службы рабочей смеси; составом и давлением рабочей смеси; конструкцией колбы и электродов. Такие источники заполнены водородом или дейтерием, инертными газами или смесями инертных газов и галогенов и возбуждаются тлеющим, дуговым и высокочастотным разрядами.

Известны водородные и дейтериевые источники излучения (например, лампа ВМФ-25, ДНМ-15, ДНМ-Н-20, ДНМ-100), излучающие в ультрафиолетовом (УФ) и вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ) диапазонах спектра, состоящие из колбы, электродной системы и выходного окна излучения, выполненного из материала, прозрачного к рабочим длинам волн излучения. Для защиты окна от порчи разрядом окно располагают на расстоянии от разрядного промежутка, достаточном, чтобы на него не попадал поток заряженных частиц. Это позволяет увеличить срок службы устройства.

Общим недостатком всех этих устройств является непрерывное ухудшение прозрачности выходных окон под воздействием ВУФ-излучения. В итоге интенсивность излучения ламп в области 200-300 нм непрерывно уменьшается.

Известен источник излучения [3], в котором для борьбы с этим эффектом в газовую среду лампы предлагается вводить ртуть, но это усложняет технологию подготовки устройства к отпайке. Еще один недостаток: при возбуждении газовой среды дуговым и тлеющим разрядами, контакт электродов с рабочей смесью приводит к постепенной деградации среды и в ряде случаев (это зависит от среды и давления) к изменению спектрального состава излучения. Кроме того, упомянутые лампы хорошо подходят для подсветки широкими апертурами, но неудобны в случае, если требуется передать УФ-излучение по световоду от выходного окна.

Известны устройства, в которых для обеспечения миниатюризации при одновременном увеличении стабильности и интенсивности излучения, а также эффективной передачи излучения плазмы в световод в разрядную область вставляют несколько тугоплавких вставок с сужением [4], выполняющих роль диафрагм. Вставка увеличивает интенсивность излучения в узком канале, образованном диафрагмами. В результате сконцентрированное на оси излучение эффективно подается на световод.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является источник излучения [5], включающий в себя цилиндрическую колбу с газовой средой, образованную диафрагмой, диэлектрическими торцами, прозрачными на рабочей длине волны, двух электродов, размещенных снаружи на торцах. При этом по оси торцевых электродов сделаны отверстия для вывода излучения. Диафрагма может быть выполнена из тугоплавкого материала и служит концентрированию излучения на оси колбы. При подаче на электроды импульсного напряжения с частотами от 100 кГц до 500 МГц в колбе зажигается барьерный разряд. Поскольку электроды отделены от рабочей среды, этим обеспечивается лучшая чистота спектров и срок службы смеси. Данный источник также обеспечивает эффективную передачу излучения из узкого разрядного канала в световод.

К недостаткам источника относятся: 1) сравнительная сложность в его изготовлении (поскольку колба не литая, то требуется сложная технология ее склейки с диэлектрическими торцами и электродами); 2) необходимость использования дорогих материалов для диафрагмы (нитрид алюминия, оксид тория, алмаз, вольфрам); 3) сужение разрядного канала приводит к увеличению величин напряжения зажигания и горения разряда, что снижает эффективность конверсии энергии от источника питания в излучение в сравнении с устройствами без диафрагмы; 4) нагрев диафрагмы увеличивает риск разгерметизации колбы, что накладывает дополнительные требования к охлаждению.

Задачей данного изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности устройства с одновременным обеспечением узкой апертуры выходного излучения для его передачи на световод.

Указанная задача достигается тем, что в газоразрядном источнике излучения, включающего в себя диэлектрическую цилиндрическую колбу с газовой средой, на внешней поверхности которой размещены электроды, диафрагму и выходное диэлектрическое окно в торце, прозрачное на рабочих длинах волн, согласно техническому решению электроды выполнены цилиндрическими, образуя в колбе разрядный промежуток, за которым вдоль оптической оси размещена диафрагма с последующим выходным окном для вывода излучения, расположенным на расстоянии, достаточном для концентрации излучения на оптической оси.

Кроме того, диафрагма может быть выполнена не только в форме кольца, а функцию диафрагмы может выполнять локальное вдавливание боковой стенки колбы до размера диафрагмы или сужение колбы и переход ее в трубку.

Указанное расположение элементов: 1) упрощает конструкцию колбы, поскольку колба выполнена как единое целое, без склеек; 2) позволяет отказаться от использования дорогих материалов при изготовлении диафрагмы; 3) за счет отказа от сужения канала разряда упрощает зажигание, снижает напряжение горения, а это, в свою очередь, увеличивает эффективность конверсии энергии от источника питания в излучение, позволяет работать при меньших частотах, не в МГц диапазоне, т.е. упрощает требования к защите от помех, создаваемых источником излучения; 4) обеспечивает защиту выходного окна и от заряженных частиц, и от ВУФ-излучения из пристеночных областей, которое не вносит полезного вклада в формирование узкой апертуры, необходимой для стыковки источника излучения со световодом, что в совокупности увеличивает срок службы рабочего окна и устройства в целом.

На фиг. 1 (а, б, в) схематично представлен заявляемый источник излучения. Устройство состоит из заполненной рабочей средой цилиндрической колбы 1 из диэлектрического материала, цилиндрических электродов 2 и 3, образующих разрядный промежуток 4. Диафрагма 5 расположена вне разрядного промежутка 4 и электродов. Выходное окно 6 расположено за диафрагмой. Диафрагма может быть выполнена в форме вставки кольца (фиг. 1а), либо локального вдавливания боковой стенки колбы до размера диафрагмы (фиг. 1б), либо в форме сужения колбы и переходом ее в трубку диаметром диафрагмы (фиг. 1в).

Устройство работает следующим образом. При включении источника и подаче на электроды 2 и 3 импульсного напряжения в разрядном промежутке 4 зажигается барьерный разряд. Излучение выводится в выходное окно 6. Диафрагма 5 одновременно уменьшает апертуру выходного излучения, что облегчает его вывод на внешний световод, и защищает выходное окно 6 от потоков заряженных частиц из разряда и ВУФ-излучения от пристеночных областей (особенно в области электрода 3). В отличие от прототипа устройство значительно проще конструктивно. Поскольку диафрагма находится вне разрядного промежутка упрощается зажигание, снижается напряжение горения, а это, в свою очередь, увеличивает эффективность конверсии энергии от источника питания в излучение. Предлагаемое расположение электродов позволяет увеличить площадь диэлектрической стенки, которая подвергается зарядке от прилагаемого к электродам импульсного напряжения. Это, во-первых, ведет к тому, что можно обеспечивать нужный энерговклад в среду при меньших частотах следования импульсов напряжения, не используя МГц диапазон. А значит упрощает требования к защите от помех, создаваемых источником излучения. Во-вторых, можно увеличить давление рабочей среды и увеличить интенсивность излучения.

Таким образом, источник излучения проще известных устройств по конструкции, обеспечивает удобную для передачи излучения на внешний световод апертуру выходного излучения, увеличивает эффективность конверсии энергии от источника питания в излучение, позволяет повысить срок рабочей среды.

Предложенный источник целесообразно использовать для рабочих сред, в спектре излучения которых есть ВУФ-излучение.

Источники информации

1. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1976. 432 с.

2. Light sources for optical and analytical instrumentation // Heraeus Noblelight GmbH. HNG B181E/01.10.wsp.

3. Шишацкая Л.П., Лисицын В.М. Водородная спектральная лампа // Патент SU 469166. Опубликовано 30.04.1975. Бюллетень №16.

4. Herter В. Electrode-less discharge lamp // Заявка на патент US 2002/0017876. Опубликовано 10.01.2001. 4. Smolka Е., Dietz K.-J., Schilling F., Schnabl A., Yerter B.

5. Low-pressure discharge lamp containing a partition therein // Патент US 5814951. Опубликовано 19.12.1996.

Изобретение относится к газоразрядным источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда, и может быть использовано в устройствах для оптических и аналитических исследований, где необходимо ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение, например при калибровке спектральной аппаратуры, для фотоионизации газовых сред. Газоразрядный источник излучения с возбуждением барьерным разрядом включает в себя диэлектрическую цилиндрическую колбу с газовой средой, на внешней поверхности которой размещены цилиндрические электроды, образующие в колбе разрядный промежуток, за которым вдоль оптической оси размещена диафрагма с последующим выходным окном для вывода излучения, расположенным на расстоянии, достаточном для концентрации излучения на оптической оси. Такое расположение элементов упрощает конструкцию колбы, позволяет отказаться от использования дорогих материалов при изготовлении диафрагмы. Технический результат - упрощение зажигания и увеличение срока службы рабочего окна и устройства в целом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газоразрядный источник излучения с возбуждением барьерным разрядом, включающий в себя диэлектрическую цилиндрическую колбу с газовой средой, на внешней поверхности которой размещены электроды, диафрагму и выходное диэлектрическое окно в торце, прозрачное на рабочих длинах волн, отличающийся тем, что электроды выполнены цилиндрическими, образуя в колбе разрядный промежуток, за которым вдоль оптической оси размещена диафрагма с последующим выходным окном для вывода излучения, расположенным на расстоянии, достаточном для концентрации излучения на оптической оси.

2. Газоразрядный источник излучения по п. 1, отличающийся тем, что диафрагма выполнена в форме либо локального вдавливания боковой стенки колбы, либо переходом колбы в трубку.