УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ЭКСИЛАМПА В КОЛБЕ ИЗ ПРОФИЛИРОВАННОГО ЛЕЙКОСАПФИРА Российский патент 2016 года по МПК H01J11/00 

Область техники

Изобретение относится к области приборостроения (светотехнике), а именно к технике излучения на переходах эксимерных или эксиплексных молекул в электроразрядных источниках спонтанного ультрафиолетового излучения, называемых эксилампами, и может быть использовано в различных областях науки и техники, например в медицине для обеззараживания воздуха и жидких сред, а также для инактивации микроорганизмов, в фотохимии, в микроэлектронике при обработке и чистке поверхности посредством ее облучения, для детектирования алмазов, для проведения фотостимулированных процессов, для связи в ультрафиолетовом диапазоне, в системах вождения автомобилей.

Уровень техники

Известно большое количество разновидностей эксиламп [1]. Современные эксилампы обладают большим разнообразием в геометрии колбы (оболочки). Известно, что обычно колба эксилампы выполняется из кварцевого стекла (US 6376972 B1, RU 63224 U1, RU 75503 U1, RU 2281581 C1, RU 2291516 C2, RU 2310947 C1, RU 2321919 C1, RU 2385515 C1 и др.). Кварцевое стекло обладает хорошим пропусканием в ультрафиолетовой области спектра, удовлетворительной технологичностью при изготовлении колбы эксилампы, сравнительно дешевое. Известно также, что рабочей средой в эксилампах являются различные инертные газы (гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe), а также водород (дейтерий) и/или их смеси с галогенами (хлор Cl₂, бром Br₂, иод I₂) (RU 43458 U1, RU 2151442 C1, RU 2154323 C2, RU 2200356 C2, RU 2225225 C2 и др).

Как известно, эксилампа в ультрафиолетовой (УФ) области спектра представляет собой электроразрядное устройство, обеспечивающее получение излучения в УФ области спектра, в частности, на B-X переходах инертных газов. Принцип работы эксилампы основан на протекании электрического тока в газе, в результате чего в газоразрядной плазме посредством протекания различных плазмохимических реакций формируются эксимерные или эксиплексные молекулы. Особенностью этих молекул является, во-первых, наличие устойчивой связи данных молекул лишь в возбужденном состоянии, а основное состояние является разлетным. Это обуславливает излучение в широких спектральных интервалах (наиболее интенсивна B-X полоса). Во-вторых, кинетика плазмохимических реакций такова, что формирование эксимерных или эксиплексных молекул сопровождается преимущественно безизлучательными процессами, в то время как уменьшение концентрации данных молекул обеспечивается преимущественно радиационными переходами в основное состояние. Это предопределяет высокую эффективность излучения, а также тот факт, что до ~80% мощности излучения газоразрядной плазмы может быть сосредоточено в полосе B-X перехода используемой эксимерной или эксиплексной молекулы.

Недостатком эксиламп в кварцевой колбе является сравнительно небольшой срок службы из-за протекания интенсивных плазмохимических реакций, когда образовавшиеся эксимерные или эксиплексные молекулы реагируют с кварцем и портят состав газовой смеси в эксилампе. Кроме того, кварцевая колба эксилампы является непрочной.

Материал колбы эксилампы должен хорошо пропускать ультрафиолетовое излучение, к таким материалам наряду с кварцевым стеклом относятся: увиолевое стекло, кристаллы фтористого лития LiF, кристаллы фтористого магния MgF₂, кристаллы фтористого кальция CaF₂, кристаллы фтористого бария BaF₂, монокристаллы различных боратов, например LBO (LiB₃O₅), LB₄ (Li₂B₄O₇), BBO (β-BaB₂O₄), CLBO (CsLiB₆O₁₀), лейкосапфир (корунд) (Al₂O₃) и др. Из всех этих материалов по инертности к химическим воздействиям и прочности наиболее подходящим для колб эксиламп является лейкосапфир.

Недостатками известных решений применительно к эксилампам являются сравнительно небольшие размеры, получение оболочек механической обработкой, что ведет к большой трудоемкости и стоимости изделий, кроме того, герметизация оболочек производится различными металлическими деталями, что для эксиламп недопустимо.

Известна разрядная эксимерная лампа US 8164263 B2, принятая за прототип, содержащая герметичную колбу из лейкосапфира с рабочей средой, состоящей из инертных газов или их смеси, или из галогенов или их смеси, или из смеси инертных газов с галогенами в определенном соотношении и определенном давлении; металлический штенгель, впаянный в колбу; два металлических электрода, образующих разрядный промежуток; генератор высоковольтного импульсного напряжения, подключенный к обоим электродам.

Недостатками этого устройства являются сравнительно небольшие размеры, а следовательно, и мощность излучения, получение элементов колбы механической обработкой, что ведет к большой трудоемкости и стоимости изделий.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является увеличение размеров эксилампы, а, следовательно появление возможности увеличения мощности излучения эксилампы при одновременном снижении трудоемкости изготовления и стоимости изделия.

Это достигается тем, что в известном техническом решении, содержащем герметичную колбу из лейкосапфира с рабочей средой, состоящей из инертных газов или их смеси, или из галогенов или их смеси, или из смеси инертных газов с галогенами в определенном соотношении и определенном давлении; металлический штенгель, впаянный в колбу; два металлических электрода, плотно прилегающих к поверхности колбы и образующих разрядный промежуток; генератор высоковольтного импульсного напряжения, подключенный к обоим электродам, герметичная колба собрана из отдельных элементов, имеющих между собой вакуумплотное соединение, выполненное пайкой твердыми припоями, причем элементы колбы изготовлены из монокристаллического профилированного лейкосапфира заданной формы.

Профилированный лейкосапфир используется в виде прямых или конусообразных труб, цилиндров, стержней, пластин. В настоящее время профилированный лейкосапфир выращивается с большой точностью и не требует в большинстве случаев дополнительной механической обработки. Диаметр труб из профилированного лейкосапфира может достигать 65…70 мм, длина до 1000 мм. Элементы колбы из профилированного лейкосапфира соединяются вакуумноплотной пайкой. Для откачки эксилампы и наполнения рабочей средой используется металлический штенгель, припаенный к колбе из профилированного лейкосапфира. После откачки и наполнения рабочей средой штенгель герметизируется холодной диффузионной вакуумноплотной сваркой.

Краткое описание чертежей

Заявленное решение поясняется следующими графическими материалами:

на фиг. 1 показан в сечении первый вариант ультрафиолетовой эксилампы барьерного разряда коаксиального типа;

на фиг. 2 изображен в сечении второй вариант ультрафиолетовой эксилампы емкостного разряда;

на фиг. 3 показан в сечении третий вариант ультрафиолетовой эксилампы планарного типа;

на фиг. 4 изображен в сечении четвертый вариант ультрафиолетовой эксилампы барьерного разряда коаксиального типа с переменной шириной разрядного промежутка;

на фиг. 5 изображен в сечении пятый вариант ультрафиолетовой эксилампы емкостного разряда;

на фиг. 6 изображен загерметизированный металлический штенгель.

Эксилампа по первому варианту (фиг. 1) содержит наружную лейкосапфировую трубку 1.1, внутреннюю лейкосапфировую трубку 1.2, левую лейкосапфировую стенку 1.3, правую лейкосапфировую стенку 1.4, металлический штенгель 1.5, рабочую среду 1.6, наружный перфорированный металлический электрод 1.7, внутренний сплошной металлический электрод 1.8, генератор высоковольтного импульсного напряжения 1.9.

Эксилампа по второму варианту (фиг. 2) содержит наружную лейкосапфировую трубку 2.1, левую лейкосапфировую стенку 2.2, правую лейкосапфировую стенку 2.3, металлический штенгель 2.4, рабочую среду 2.5, левый наружный сплошной металлический электрод 2.6, правый наружный сплошной металлический электрод 2.7, генератор высоковольтного импульсного напряжения 2.8.

Эксилампа по третьему варианту (фиг. 3) содержит наружную лейкосапфировую трубку 3.1, левую лейкосапфировую стенку 3.2, правую лейкосапфировую стенку 3.3, металлический штенгель 3.4, рабочую среду 3.5, первый задний наружный сплошной металлический электрод 3.6, второй задний наружный сплошной металлический электрод 3.7, генератор высоковольтного импульсного напряжения 3.8.

Эксилампа по четвертому варианту (фиг. 4) содержит наружную лейкосапфировую трубку 4.1, внутреннюю конусообразную лейкосапфировую трубку 4.2, левую лейкосапфировую стенку 4.3, правую лейкосапфировую стенку 4.4, металлический штенгель 4.5, рабочую среду 4.6, наружный перфорированный металлический электрод 4.7, внутренний конусообразный сплошной металлический электрод 4.8, генератор высоковольтного импульсного напряжения 4.9.

Эксилампа по пятому варианту (фиг. 5) содержит первую наружную лейкосапфировую трубку 5.1, вторую наружную лейкосапфировую трубку 5.2, левую лейкосапфировую стенку 5.3, среднюю лейкосапфировую стенку 5.4, правую лейкосапфировую стенку 5.5, металлический штенгель 5.6, рабочую среду 5.7, левый наружный сплошной металлический электрод 5.8, правый наружный сплошной металлический электрод 5.9, генератор высоковольтного импульсного напряжения 5.10.

Эксилампы по всем вариантам работают следующим схожим образом.

Из лейкосапфировых элементов с помощью пайки собирается герметичная колба эксилампы. На лейкосапфировой колбе эксилампы также с помощью пайки устанавливается металлический штенгель. Через штенгель производится откачка воздуха и наполнение эксилампы рабочей средой. После наполнения эксилампы рабочей средой штенгель герметизируется. На эксилампу устанавливаются два металлических электрода. На металлические электроды от генератора подается переменное высоковольтное напряжение, эксилампа загорается.

Промышленная применимость

Представленные в описании варианты выполнения эксилампы не являются исчерпывающими. Технология выращивания лейкосапфировых элементов позволяет получать на высокопроизводительном оборудовании с высокой точностью элементы различного профиля, не требующие последующей механической обработки. Комбинация простых элементов из профилированного лейкосапфира предоставляет возможность создания новых разновидностей эксиламп.

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 применение. - Томск: STT, 2011. - 512 с.

2. Волкова Г.A., Кириллова Н.Н., Павловская Е.Н., Подмошенский И.В., Яковлева А.В. ВУФ лампы на барьерном разряде в инертных газах // ЖПС. 1984. Т. 41. В. 4. С. 681-695.

3. Ломаев М.И., Скакун B.C., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В. Отпаянные эффективные эксилампы, возбуждаемые емкостным разрядом // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. В. 21. С. 1-6.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике излучения на переходах эксимерных или эксиплексных молекул в электроразрядных источниках спонтанного ультрафиолетового излучения, называемых эксилампами, и может быть использовано в различных областях науки и техники, например в медицине для обеззараживания воздуха и жидких сред, а также для инактивации микроорганизмов, в фотохимии, в микроэлектронике при обработке и чистке поверхности посредством ее облучения, для детектирования алмазов, для проведения фотостимулированных процессов, для связи в ультрафиолетовом диапазоне, в системах вождения автомобилей. Технический результат - увеличение размеров эксилампы и мощности излучения эксилампы при одновременном снижении трудоемкости изготовления и стоимости изделия. Изобретение отличается герметичной колбой, собранной из отдельных элементов, имеющих между собой вакуумплотное соединение, выполненное пайкой твердыми припоями, причем элементы колбы изготовлены из монокристаллического профилированного лейкосапфира заданной формы. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ультрафиолетовая эксилампа с возбуждением барьерным или емкостным разрядом, излучающая на переходах эксимерных или эксиплексных молекул, содержащая герметичную колбу из лейкосапфира с рабочей средой, состоящей из инертных газов или их смеси, или из галогенов или их смеси, или из смеси инертных газов с галогенами в определенном соотношении и определенном давлении; металлический штенгель, впаянный в колбу; два металлических электрода, плотно прилегающих к поверхности колбы и образующих разрядный промежуток; генератор высоковольтного импульсного напряжения, подключенный к обоим электродам, отличающаяся тем, что герметичная колба собрана из отдельных элементов, имеющих между собой вакуумплотное соединение, выполненное пайкой твердыми припоями, причем элементы колбы изготовлены из монокристаллического профилированного лейкосапфира заданной формы.

2. Ультрафиолетовая эксилампа по п. 1, отличающаяся тем, что профиль лейкосапфировых элементов колбы образован прямыми и/или линиями второго порядка.