Результат интеллектуальной деятельности: Малогабаритный источник излучения, возбуждаемый барьерным разрядом

Изобретение относится к области создания источников излучения с возбуждением барьерным разрядом с размерами выходного пучка ≈10 мм и менее. Подобные источники, применяются для калибровки спектральных проборов, у которых размер входной щели не превышает 10 мм, для облучения объектов малых размеров, используемых в фотохимии и биологии, а также при тестировании фотоионизационных приборов. Источники применяются в областях науки и техники, где необходимо излучение в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра.

Известно, что для создания источников спонтанного излучения ВУФ и УФ областей спектра широко применяют газоразрядные источники [1]. Для возбуждения таких устройств, которые излучают как в ВУФ, так и в УФ и областях спектра, обычно используется барьерный разряд. Это позволяет увеличить рабочее давление газа в излучателе, соответственно, и удельную мощность излучения. Для получения ВУФ и УФ излучения наиболее используемы переходы эксимерных молекул (Ar₂^* - длина волны 126 нм, Kr₂^* - 146 нм и Хе₂^* -172 нм) и эффективных эксиплексных молекул (KrBr^* - 207 нм, KrCl^* - 222 нм, XeBr^* - 283 нм и XeCl^* - 308 нм), которые при оптимальных условиях возбуждения и оптимальных размерах выходного пучка данных источников (длина, ширина единицы -десятки сантиметров и более) позволяют получать высокие мощности и плотности мощности излучения (десятки - сотни мВт/см²). Описание известных источников ВУФ и УФ излучения имеется в монографиях, статьях и патентах [1-7]. Наиболее близкие по своей сути к заявляемому источники коротковолнового спонтанного излучения с поперечными размерами выходного пучка ≈10 мм и менее, которые выбраны в качестве аналогов, описаны в патентах [5-7].

Известен источник УФ излучения, описанный в патенте RU 2560931 С1 [5], возбуждаемый барьерным разрядом, содержащий излучатель, включающий в себя диэлектрическую цилиндрическую колбу с газовой средой, на внешней стороне которой размещены электроды, диафрагма и выходное диэлектрическое окно, прозрачное на рабочих длинах волн. Электроды источника выполнены цилиндрическими, образуя в колбе разрядный промежуток, за которым вдоль оптической оси размещена диафрагма, которая выполнена в виде либо второй трубки, либо локального вдавливания стенок колбы, что обеспечивало создание малогабаритного устройства с диаметром выходного пучка 10 мм и менее.

К недостаткам источника следует отнести следующее. Размещение обоих электродов цилиндрической формы на внешней поверхности колбы, что не позволяет работать при оптимальных давлениях инертных газов и их смесей с галогеноносителями, которые составляют сотни Торр. Это при сопоставимых условиях приводит к значительному (в 2 раза и более) уменьшению плотности мощности излучения и КПД. Кроме того, при пониженных давлениях спектры излучения уширяются и появляются дополнительные полосы. Также, к уменьшению плотности мощности излучения за выходным окном приводит установка диафрагмы, которая увеличивает расстояние от излучающей области разряда до выходного окна.

В малогабаритном источнике излучения, две модификации которого приведены в патентах на полезную модель RU 59324 U1, RU 200241 U1 [6, 7], при создании колбы используются две кварцевые трубки, которые расположены перпендикулярно друг к другу, а ось внутренней трубки была параллельна плоскости выходного окна. Модернизированный вариант источника излучения [7] отличается от созданного ранее [6] тем, что у выходного окна имеется цилиндрическое сужение, на внешней поверхности которого размещен заземленный электрод.

Основной недостаток данного аналога - это сложность его изготовления. Трубку меньшего диаметра, ось которой располагается параллельно выходному окну, необходимо впаивать в трубку большего диаметра. Причем, при выполнении цилиндрического сужения на внешней трубке сложность изготовления колбы увеличивается.

Наиболее близким аналогом по конструктивному исполнению и технической сущности к заявляемому устройству, который выбран за прототип, является источник излучения, описанный в патенте RU 2546144 С2 [8]. Источник излучения с возбуждением барьерным разрядом, описанный в [8], содержит цилиндрическую колбу, заполненную инертным газом или его смесью с галогеноносителем, источник питания, подключенный к двум электродам, один из которых перфорирован и размещен на внешней поверхности выходного окна, 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. Внутренний диаметр цилиндрической колбы такого источника излучения обычно составляет «10 мм и менее.

К недостаткам прототипа следует отнести сравнительно малые плотности мощности излучения при внутреннем диаметре колбы у выходного окна 10 мм и менее. Этот диаметр задает размер пучка излучения, выходящего из окна, и влияет на свойства разряда. При увеличении внутреннего диаметра колбы плотность мощности излучения уменьшается. Кроме того, распределение плотности мощности излучения по сечению выходного пучка при повышении давления газа, которое приводит к увеличению плотности мощности излучения, становится неравномерным и имеет провал в центре выходного пучка. Это происходит из-за того, что плазма разряда при перпендикулярном расположении электродов в основном формируется у внутренней поверхности высоковольтного электрода, который размещен на внешней поверхности цилиндрической колбы. При этом толщина плазменного слоя с ростом давления уменьшается.

Задачей, решаемой с помощью данного изобретения, является создание источника излучения, возбуждаемый барьерным разрядом, имеющего выходной пучок «10 мм и менее с более высокой плотностью мощности излучения.

Техническим результатом данного изобретения, по сравнению с прототипом является увеличение плотности мощности излучения при размерах выходного пучка 10 мм и менее, с равномерным распределением плотности мощности излучения по сечению выходного пучка.

Указанный технический результат достигается в источнике излучения, возбуждаемом барьерным разрядом, содержащем два электрода, колбу, выполненную из кварцевой трубки и заполненную инертным газом или его смесью с галогеноносителем, на одном торце которой размещено выходное окно, имеющее высокую прозрачность на рабочей длине волны. Согласно предлагаемому изобретению, часть колбы со стороны выходного окна выполнена сплющенной, электроды установлены на противоположных сторонах сплющенной части колбы и расположены на ее внешних плоских поверхностях.

На фиг.1 изображен источник излучения, возбуждаемом барьерным разрядом, за прозрачным выходным окном (а), а также и также показано его поперечное сечение (б) 1 -цилиндрическая часть колбы, 2 - переходная часть колбы от цилиндрической формы к сплющенной, 3 - сплющенная часть колбы, 4 -электроды, 5 - выходное окно, 6 - внутренний объем колбы, заполненный инертным газом или его смесью с галогеноносителем.

Малогабаритный источник излучения, возбуждаемом барьерным разрядом, работает следующим образом. От источника питания импульсы напряжения с амплитудой ≈4 кВ подаются на электроды 4. В результате происходит пробой рабочей смеси 6 в сплющенной части колбы 3 в области между электродами 4 и формируется импульсный барьерный разряд. Испытания предлагаемого источника проводились при заполнении колбы излучателя ксеноном. За счет плазмохимических реакций при возбуждении ксенона образуются эксимерные молекулы Хе₂^*, которые излучают преимущественно на длине волны 172 нм. Спонтанное излучение из колбы излучателя выходит через окно 5. Импульсные источники питания, марка используемого кварца для изготовления выходного окна у заявляемого источника и у прототипа [8] при испытаниях были одинаковыми. Испытания созданного малогабаритного источника излучения проводились для двух внутренних зазоров в сплющенной части колбы 3 и 6 мм. С зазором 6 мм плотность мощности излучения при оптимальном давлении ксенона 240 Торр составила ≈26 мВт/см². В прототипе эта мощность была 15 мВт/см² [8]. С уменьшением зазора в сплющенной части колбы до 3 мм оптимальное давление ксенона увеличилось до 375 Торр, а плотность мощности излучения димеров ксенона на длине волны 172 нм возросла до ≈30 мВт/см².

В прототипе и предлагаемом изобретении существенно отличаются конструкции электродов и места их установки. Высоковольтный электрод в прототипе размещен на внешней поверхности цилиндрической колбы и, соответственно, имеет форму цилиндра, а второй электрод перфорирован и размещен на внешней поверхности выходного окна. При этом их поверхности, у которых концентрируется плазма разряда во внутреннем объеме трубки, располагаются перпендикулярно. В предлагаемом изобретении используются два электрода, расположенны на противоположных плоских сторонах сплющенной части кварцевой трубки. Это меняет характеристики разряда и достигается технический результат по увеличению плотности мощности излучения.

Конструкция предлагаемого малогабаритного источника излучения, возбуждаемом барьерным разрядом, является универсальной и может быть использована для получения излучения на различных длинах волн (126, 146, 172, 207, 222, 283, 308 нм и других). Это достигается заполнением колбы излучателя соответствующей газовой смесью и применением выходного окна с пропусканием на рабочей длине волны.

Созданный малогабаритный источник излучения, возбуждаемый барьерным разрядом, может быть использован в различных областях науки и техники, где необходимо облучение коротковолновым ультрафиолетовым или вакуумным ультрафиолетовым излучением с диаметром пучка ≈10 мм и менее.

Источники информации

1. Boyd I.W., Zhang J.-Y., Kogelschatz U. Development and Applications of UV Excimer Lamps / In Book Photo-Excited processes, Diagnostics and Applications (Ed. A. Peled). - The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2003. - P. 161-199.

2. Erofeev, M.V., Schitz, D.V., Skakun, V.S., Sosnin, E.A. and Tarasenko, V.F., 2010. Compact dielectric barrier discharge excilamps. Physica Scripta, 82(4), p.045403.

3. Патент RU 2258975 C1. Опубл. 20.08.2005. Бюллетень №23.

4. Патент RU 75503 U1. Опубл. 10.08.2008. Бюллетень №22.

5. Патент RU 2560931 С1. Опубл. 20.08.2015. Бюллетень №23.

6. Патент RU 59324 U1. Опубл. 10.12.2006. Бюллетень №34.

7. Патент RU 200241 U1. Опубл. 14.10.2020. Бюллетень №29.

8. Патент RU 2546144 С2. Опубл. 10.04.2015. Бюллетень №10.