Книги по разным темам Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 11 04;07;12 Возбуждение ультрафиолетового излучения импульсно-периодическим разрядом в ксеноне й Д.Л. Глебов, О.Н. Крютченко, Д.А. Морозов, М.В. Чиркин Рязанский государственный педагогический университет им. С.А. Есенина, 390000 Рязань, Россия e-mail: chirkin@rspu.ryazan.ru (Поступило в Редакцию 23 марта 2005 г.) Экспериментально исследованы оптико-электрические характеристики импульсно-периодического разряда в ксеноне в условиях, когда произведение межэлектродного расстояния на давление газа находится в диапазоне 4-20 Torr cm. Продемонстрирована высокая эффективность преобразования вкладываемой энергии в вакуумное ультрафиолетовое излучение при поддержании разряда импульсами напряжения длительностью 0.1 s в диапазоне частот повторения 1-10 kHz. Доказана связь полученного результата с быстрым расширением отрицательного свечения, происходящим при каждом зажигании разряда. Найдены условия, при которых разряд не сопровождается нагревом и распылением катода.

Импульсно-периодический разряд в ксеноне при дав- Для экспериментов использован макет, представляюлениях 10-40 Torr как источник вакуумного ультрафио- щий собой две идентичные стеклянные ячейки с внулетового излучения в диапазоне длин волн 145-190 nm тренним размером 20 20 6 mm, одна из которых был исследован в работах [1,2]. Разряд возбуждался имеет на внутренней стенке покрытие из люминофора в двухэлектродных промежутках с расстоянием между (Eu,Ba)MgAl10O17. Обе ячейки содержат по два пакатодом и анoдом 1-5 mm. Для преобразования ультра- раллельных проволочных электрода из сплава никеля фиолетового излучения в видимый диапазон использо- с железом длиной 20 mm, диаметром 0.15 mm, расповался люминофор Zn2SiO4 : Mn. Было показано, что све- ложенных на расстоянии 3 mm друг от друга. Макет товая отдача по мощности значительно возрастает при был размещен на откачном посту с соответствующими уменьшении длительности импульсов напряжения, под- датчиками остаточного давления, которое превышало держивающих разряд: при длительности меньше 0.2 s 2 10-6 Torr. Давление ксенона с макете контролировасветовая отдача оказывается на один-два порядка боль- лось вакуумметром ВДГ-1.

ше по сравнению с отрицательным свечением разряда На анод макета подавались импульсы напряжения с постоянного тока. Позднее было обнаружено [3], что амплитудой 200-800 V, частотой следования 1-10 kHz уменьшение от 2 до 0.3 s длительности импульсов, и длительностью 60-450 ns (по уровню 0.5). Катод был поддерживающих разряд в ячейках промышленной га- заземлен через измерительное сопротивление (50 ).

зоразрядной индикаторной панели, наполненной ксено- Время нарастания переднего фронта импульса напряном, сопровождается двукратным ростом интенсивности жения от 0.1 Umax до 0.9 Umax составляло 40 ns и ультрафиолетового излучения. Однако причина столь не изменялось в процессе экспериментов. Импульсы эффективного преобразования вкладываемой энергии в напряжения и тока, протекающие через газоразрядный ультрафиолетовое излучение остается неизвестной. промежуток, контролировались двухканальным широкоВ работе [4] при зажигании разряда в смеси полосным осциллографом. Импульс напряжения постуNe-Xe (10%) импульсным напряжением амплиту- пал на вход осциллографа через частотно-независимый дой 190-220 V обнаружено перемещение к като- делитель. На второй вход осциллографа подавался сигду границы отрицательного свечения со скоростью нал, пропорциональный импульсу тока разряда, из кото106-2.5 106 cm/s. Известно, что испускание ультрафио- рого предварительно был исключен ток смещения через летового излучения вызвано процессами, инициируемы- ДхолодныйУ газоразрядный промежуток. Для этого на ми ионизацией газа пучком электронов около границы входы дифференциального усилителя поступали сигнаотрицательного свечения [5]. В связи с этим правоме- лы с сопротивлений в цепи катода и соединенной с рен вопрос: может ли перемещение катодной границы анодом последовательной RC-цепочки (емкость конденсвечения привести к образованию возбужденных атомов сатора подобрана равной ДхолоднойУ межэлектродной и димеров ксенона в большeм объеме по сравнению со емкости).

стационарным разрядом Для регистрации излучений люминофора и разряда В настоящей работе приведены результаты экспе- использован импульсный фотоэлектронный умножитель риментов, выполненных с целью идентификации рас- в составе системы, содержащей линзовый объектив с ширения отрицательного свечения как механизма эф- фокусным расстоянием 2.8 cm, формирующий увеличенфективного преобразования вкладываемой энергии в ное в два раза изображение разрядного промежутка, ультрафиолетовое излучение при поддержании разряда в плоскости которого размещена диафрагма регулирув ксеноне периодической последовательностью коротких емой ширины. Пространственное разрешение составляимпульсов напряжения. ет 0.1 mm. Непосредственно за диафрагмой расположен 76 Д.Л. Глебов, О.Н. Крютченко, Д.А. Морозов, М.В. Чиркин импульсов напряжения U при неизменном периоде их повторения. Наибольшая эффективность достигнута при длительности импульсов напряжения менее 100 ns, что недостаточно для формирования квазистационарного разряда. В этой ситуации эффективность преобразования энергии в излучение в четыре раза больше по сравнению со случаем U > 300 ns, когда аномальный тлеющий разряд находится в основном в квазистационарной стадии.

Таким образом, источники ульрафиолетового излучения в ксеноне с максимальной эффективностью создаются вследствие процессов, происходящих при появлении отрицательного свечения, сопровождающегося характерным пиком на осциллограмме тока.

Рис. 1. Влияние продолжительности возбуждения на харак- На рис. 2 представлены осциллограммы, зарегистритеристики импульсно-периодического разряда. a Ч осцилло- рованные в случае коротких импульсов напряжения граммы напряжения (1), тока (2), излучения люминофора (3);

(U 70 ns) при частоте повторения 1 kHz. Кроме имb Ч зависимость световой отдачи по мощности от длительнопульсов напряжения, тока и излучения люминофора присти импульсов напряжения.

ведены импульсы оптического излучения из прианодной и прикатодной областей, полученные с использованием фотоэлектронный умножитель ФЭУ-115, инерционность которого характеризуется временем 5 ns. Вся система регистрации смонтирована на механической каретке, позволяющей с помощью микрометрического винта осуществлять ее перемещение в плоскости изображения.

Импульсы оптического излучения зарегистрированы с помощью осциллографа, обладающего временным раз решением 2 ns.

На рис. 1, a приведены осциллограммы напряжения U(t), тока I(t), протекающего через ячейку, и анодного тока фотоэлектронного умножителя J(t), пропорционального интенсивности излучения люминофора, полученные при давлении ксенона 15 Torr и частоте повторения импульсов 1 kHz. На переднем фронте осциллограммы тока имеется пик с амплитудой I, затем p происходит быстрый спад тока, сменяющийся постепенным нарастанием с тенденцией к насыщению. Примерно через 120 ns ток разряда стабилизируется около установившегося значения Is 0.3 I. Амплитуда токового p пика I, установившееся значение тока Is и амплитуда p импульса излучения люминофора практически не зависят от длительности импульсов напряжения; увеличение последней приводит лишь к более продолжительному существованию квазистационарной стадии, характеризующейся установившимся значением тока.

Количественным критерием степени эффективности преобразования в ультрафиолетовое излучение вкладываемой в разряд энергии является световая отдача по мощности T J(t)dt =, (1) T U(t)I(t)dt Рис. 2. Расширение отрицательного свечения при зажигании разряда: 1 Ч напряжение; 2 Ч ток; 3 Ч излучение люмигде T Ч период повторения импульсов.

нофора; 4, 5 Ч оптическое излучение из прианодной и приПолученные результаты представлены на рис. 1, b в катодной областей; 6 Ч положение границы отрицательного форме зависимости световой отдачи от длительности свечения.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Возбуждение ультрафиолетового излучения импульсно-периодическим разрядом в ксеноне макета, не содержащего покрытия из люминофора. Для Давление Импульсно-периодиче- Разряд постоянного определения зависимости задержки появления излучексенона, ский разряд, U=100 ns тока ния от расстояния x между центром области региTorr I, mA Umax, V P, mW IDC, mA UDC, V PDC, W p страции и катодом оптическая система перемещалась от анода к катоду с шагом 0.1 mm. Результаты ре15 34 675 4 5.45 235 1.гистрации положений границы свечения приведены на 30 54 675 6 5.7 219 1.рис. 2 (точки). Отрицательное свечение расширяется по напрaвлению к катоду со скоростью 107 cm/s, что на два порядка превышает дрейфовую скорость ионов ксеТаким образом, поддержание в ксеноне импульснонона в условиях эксперимента. Увеличение амплитуды периодического разряда в условиях, когда каждое заимпульсов напряжения и уменьшение давления ксеножигание сопровождается перемещением границы отрина сопровождаются экспоненциальным ростом скорости цательного свечения к катоду со скоростью порядка перемещения границы свечения.

107 cm/s, приводит к более эффективному возбуждению Сопоставление скорости перемещения границы свеультрафиолетового излучения по сравнению с квазичения с амплитудой пика на осциллограмме тока I, p стационарным разрядом. В случае реализации данного а также соответствие во времени токового пика и процесса расширения свечения позволяют интерпрети- механизма длительность импульсов напряжения целесообразно ограничить моментом времени, когда свечение ровать ток, протекающий в прикатодной области на стадии появления свечения, как ток смещения, вызван- приблизится к границе катода (100 ns для выполненный сжатием области между катодом и отрицательным ных экспериментов). При таком режиме разряд не сосвечением. Если период повторения импульсов оказы- провождается разогревом и интенсивным распылением вается меньше 50 s, осциллограмма тока искажается: катода. Полученный результат открывает возможность на переднем фронте появляется ДступенькаУ, высота создания эффективного газоразрядного источника вакукоторой растет при дальнейшем уменьшении периода, а умного ультрафиолетового излучения без использования задержка между началом импульса напряжения и появкатодов с защитным покрытием, например из ртути.

ением тока сокращается до полного исчезновения. Пик тока на переднем фронте осциллограммы, характерный Список литературы для режима расширения отрицательного свечения, при частоте повторения импульсов, превышающей 25 kHz, [1] Mikoschiba S., Schinada S., Shirai S. // J. Appl. Phys. 1985.

отсутствует. Исследование пространственного распреVol. 58. N 10. P. 3720Ц3726.

деления оптического излучения разряда показало, что [2] Okamoto Y., Fukushima M. // Jap. J. Appl. Phys. 1987. Vol. 26.

при малых периодах повторения импульсов (T < 40 s) N 7. P. 1100Ц1103.

описанное выше расширение отрицательного свечения [3] Чижиков А.Е. // Изв. РАН. Сер. Физ. 1998. Т. 62. № 10.

не реализуется. Вместе с этим значительно уменьшается C. 2034Ц2038.

амплитуда импульса излучения люминофора: при часто[4] Ganter R., Callegari Th., Ouyang J. et al. // Proc. 15th те повторения 100 kHz она оказывается в 5 раз меньше, Intern. Symposium on Plasma Chemistry. Orlean, 2001. Vol. 2.

чем при частоте 10 kHz. Аналогичные результаты полу- P. 1335Ц1340.

чены при увеличении давления ксенона до 70 Torr. [5] Герасимов Г.Н., Крылов Б.Е., Логинов А.В. и др. // УФН.

1992. Т. 162. № 5. C. 123Ц159.

Высокую эффективность преобразования в ультрафиолетовое излучение вкладываемой энергии в режиме расширения отрицательного свечения подтверждает следующий эксперимент. В ячейке зажигался сначала импульсно-периодический разряд с частотой повторения импульсов 10 kHz, а затем разряд постоянного тока.

Условия поддержания обоих разрядов выбраны таким образом, чтобы средний световой поток, испускаемый люминофором, в обоих случаях оказался одинаков. Для сравнения эффективности использованы средняя мощность, вкладываемая в импульсно-периодический разряд T P = U(t)I(t)dt, (2) T и мощность PDC, вкладываемая в разряд постоянного тока. Сопоставление приведенных в таблице результатов показывает, что эффективность возбуждения ультрафиолетового излучения при переходе к импульснопериодическому разряду увеличивается на два порядка.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып.    Книги по разным темам