Исследование генерации вакуумного ультрафиолетового излучения ртутным разрядом низкого давления

• Автор: Собур, Денис Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Классификация УФ - излучения

1.2 Фотохимическое образование озона 1 б

1.3 Генерация УФ-излучения газовым разрядом в парах ртути

1.3.1 История исследований газового разряда

1.3.2 Математические расчеты излучения плазмы ртутного разряда

1.3.3 Основы теории генерации УФ излучения ртутным разрядом

1.3.4 Использование амальгамы для поддержания оптимального давления паров ртути

1.3.5 Параметры, определяющие эффективность генерации УФ излучения разрядом в парах ртути
1.3.6 Исследование генерации ВУФ-излучения
1.3.7 Влияние частоты тока разряда
1.3.8 Ресурс работы источников
1.4 Заключение к обзору литературы
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Математическое моделирование
2.2 Экспериментальная установка
2.2.1 Измерение энергетического потока УФ излучения
2.2.2 Определение электротехнических параметров
2.2.3 Определение зависимости параметров от давления паров ртути
2.2.4 Измерение пропускания стенки колбы лампы
2.2.5 Источники ВУФ'- излучения
2.3 Заключение к главе
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА НА МОЩНОСТЬ И КПД ГЕНЕРАЦИИ ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ
3.1 Зависимость генерации УФ излучения от давления паров ртути
3.2 Влияние силы тока разряда
3.3 Влияние давления буферного газа
3.4 Зависимость от состава инертного газа
3.5 Сравнение экспериментальных результатов с численными
расчетами
3.6 Исследование спектров различных защитных покрытии
3.7 Создание опытных образцов источников ВУФ излучения
3.8 Заключение к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Актуальность темы
Источники ультрафиолетового (УФ) излучения применяются для обеззараживания различных сред, в медицине, для обработки поверхностей, для полимеризации лаков и красок, в фотохимии, микроэлектронике, в системах диагностики и множестве других областей. Наибольший интерес представляют ртутные газоразрядные лампы низкого давления, имеющие высокую мощность, высокий КПД преобразования электрической энергии в УФ излучение (35-45%) и большой ресурс. В таких источниках оптимальное давление паров ртути составляет 0,5-1,5 Па, а давление газовой смеси (как правило, неон-аргон) -несколько сотен Па. В лампах с мощностью УФ излучения более 0,5 Вт/см вместо металлической ртути используют амальгаму, позволяющую поддерживать оптимальное давление паров ртути при высоких температурах.
Спектр ртутного разряда содержит две интенсивные резонансные УФ линии 253,65 и 184,95 нм, что соответствует областям УФ-С и вакуумного УФ1 (ВУФ) излучения. Сегодня растет интерес к использованию ВУФ излучения ртутного разряда, особенно в сочетании с излучением линии 254 нм. В частности, сочетание излучения с длинами волн 254 и 185 нм возможно эффективно использовать в задачах фотохимической очистки воздуха.
Амальгамные газоразрядные источники УФ излучения разрабатывались для систем обеззараживания, поэтому была подробно исследована генерация бактерицидной линии 254 нм. В то же время, генерация линии 185 нм практически не изучалась, особенно экспериментально. Таким образом, в настоящее время в литературе практически отсутствуют данные по генерации ВУФ излучения плазмой ртутного разряда низкого давлении, особенно при использовании в качестве буферной среды смеси инертных газов. Кроме того, с распространением электронных I источников питания, возрос интерес к генерации излучения плазмой ртутного разряда при частотах в несколько десятков кГц.

Цели и задачи работы
Целью данной работы было экспериментальное исследование генерации ВУФ излучения резонансной линии-ртути (185 нм) в разряде низкого давления при использовании; различных смесей инертных газов; в области, плотностей разрядных токов до 2 Л/см2 с.частотой в несколько десятков кГц.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Выбрать методику измерений и создать экспериментальный стенд, позволяющий измерять мощность излучения резонансных линий ртутного разряда (185 и 254 нм) и электрические характеристики разряда в режиме реального времени.
2. Экспериментально исследовать зависимость генерации ВУФ излучения (185 нм) ртутного разряда, в присутствии смеси инертных газов от давления паров ртути, силы разрядного тока, давления; и-состава смеси инертных газов для различных параметров разряда.
3. Сравнить полученные экспериментальные результаты с теоретическими расчетами. '
4. Исследовать спектры пропускания оксидных покрытий предназначенных для защиты разрядной колбы от воздействия ионов ртути.
Научная новизна
Г. Экспериментально исследована зависимость мощности и КПД генерации ВУФ излучения плазмы ртутного разряда низкого давления в присутствии смеси инертных газов от давления паров ртутиг
2. Впервые исследована зависимость мощности излучения линии 185 нм от давления паров ртути. Показано, что зависимость при определенных условиях имеет два максимума. Данный тип зависимости наблюдался, при давлениях смеси Ne-Ar менее 2 торр и плотностях разрядного тока от 0,2 до 1,5 А/см2. При повышении давления буферного газа свыше 2 торр первый максимум размывается.

ш _ЧЫЫГХ 2mie__ %2mjf_
““ М,т- V п V * (
В уравнении (1.17) учтено, что средняя длина свободного пробега электрона в газе определяется по формуле Яег—1/пгцес. При наличии нескольких компонент газа необходимо производить суммирование потерь по всем компонентам.
Мощность потерь энергии на возбуждение в расчете на один электрон вычисляется по формуле [22]:
I—1 m
а)е.,,='£'Ее(иг-и*)(а'ь-П*-/3'гЛ) (1-18)
/с=0 r
где г и к - номера уровней по которым производится суммирование. Формула учитывает как потери энергии за счет ударов I рода, так и передачу энергии электронам за счет ударов II рода.
Мощность потерь на ионизации определяется таким образом [22]:
ion--1 Э
Ч,, = X е{иш-иМпк+-кТе (1.19)

В стационарном режиме работы лампы в результате амбиполярной диффузии ионов и электронов к стенкам колбы, на ней накапливается статический заряд и возникает разность потенциалов между стенкой и объемом плазмы. Величина данной разности потенциала определяется по формуле:
кТ , М кТ , [ГМ,
~—Чп—= —-lnl~— (1.20)

(у,) е V Т1те
Для ртути при Те=1 эВ и Т;=300 К данная разность потенциалов составляет примерно 8,2 В [24]. Энергия со'ерек передающаяся при этом стенке трубки
каждой парой электрон-ион складывается из их кинетической энергии и энергии рекомбинации. Часть этой энергии 5 при этом уносится нейтральными атомами обратно в объем плазмы. При диффузионном режиме, реализуемом в ртутных лампах низкого давления, кинетической энергией ионов можно пренебречь:
; + еитр + еи,)( 1- 8) (1.21)