RU2154323C2

RU2154323C2 - Working medium of high-frequency capacitive- discharge lamp

Info

Publication number: RU2154323C2
Application number: RU98110440A
Authority: RU
Inventors: М.И. Ломаев; В.С. Скакун; Э.А. Соснин; В.Ф. Тарасенко
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2000-08-10

Abstract

FIELD: lighting engineering. SUBSTANCE: high- frequency discharge lamp that emits light in ultraviolet region is filled with iodine vapors and helium or xenon, or their mixture. This working mixture has longer lifetime. EFFECT: improved power and operating efficiency of lamp. 1 tbl

Description

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении эффективных ламп высокочастотного емкостного разряда, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. The invention relates to lighting engineering and can be used to create and use effective high-frequency capacitive discharge lamps emitting in the ultraviolet wavelength range.

Известны рабочие среды источников спонтанного излучения (ламп) в ультрафиолетовом диапазоне спектра, в которых в качестве рабочей среды используются галогены - пары йода [1]. Возбуждение лампы производится тлеющим [1] и высокочастотным [2] разрядами. В [1] используется смесь, состоящая из паров йода и буферного газа аргона. Непосредственный контакт электродов лампы тлеющего разряда с парами йода ускоряет процесс создания йодидов металлов и снижает время жизни одной порции смеси, поэтому смесь необходимо прокачивать и заменять на новую. Known working environments of spontaneous radiation sources (lamps) in the ultraviolet range of the spectrum, in which halogens — iodine pairs are used as the working medium [1]. The lamp is excited by glow [1] and high-frequency [2] discharges. In [1], a mixture consisting of iodine vapor and a buffer gas of argon is used. Direct contact of the electrodes of a glow discharge lamp with iodine vapor accelerates the process of creating metal iodides and reduces the life time of one portion of the mixture, so the mixture must be pumped and replaced with a new one.

Наиболее близкой по техническому решению, выбранной в качестве прототипа, является рабочая среда лампы с накачкой от высокочастотного генератора и содержащая пары йода [2]. Недостатками такой среды являются низкие мощности и эффективности излучения, а также малое время жизни одной рабочей смеси лампы при одинаковой начальной концентрации йода. Closest to the technical solution, selected as a prototype, is the working medium of a lamp pumped from a high-frequency generator and containing iodine vapor [2]. The disadvantages of this environment are low power and radiation efficiency, as well as the short lifetime of one working mixture of the lamp at the same initial concentration of iodine.

Задачей изобретения является увеличение мощности и эффективности ультрафиолетового излучения в диапазоне короче 250 нм и увеличение времени жизни одной рабочей смеси лампы в отпаянном и квазиотпаянном режимах. The objective of the invention is to increase the power and efficiency of ultraviolet radiation in the range shorter than 250 nm and increase the life time of one working mixture of the lamp in sealed and quasi-sealed modes.

Задача решается тем, что рабочая среда лампы емкостного высокочастотного разряда, содержащая пары йода, дополнительно содержит ксенон, или гелий, или смесь ксенона с гелием. The problem is solved in that the working medium of a capacitive high-frequency discharge lamp containing iodine vapor additionally contains xenon, or helium, or a mixture of xenon with helium.

Физика процессов ионизации в безэлектродной лампе высокочастотного емкостного разряда отличается от физики процессов ионизации лампы тлеющего разряда [4, 5]. В последнем случае ионизация определяется значением коэффициента вторичной эмиссии на металлических электродах, и зависит от материала электрода. При этом контакт галогена с металлическим электродом сокращает время жизни одной рабочей смеси. Существенными отличиями пробоя в безэлектродной лампе высокочастотного емкостного разряда является его независимость от материала электрода и тот факт, что электроны образуются только в газе и двигаются попеременно от одного электрода к другому. При этом концентрация и энергия электронов достаточна для возбуждения йода и буферного газа, что приводит к мощному спонтанному излучению атомарных линий йода. The physics of ionization processes in an electrodeless lamp of a high-frequency capacitive discharge differs from the physics of ionization processes of a glow discharge lamp [4, 5]. In the latter case, ionization is determined by the value of the secondary emission coefficient at the metal electrodes, and depends on the electrode material. In this case, the contact of a halogen with a metal electrode reduces the lifetime of one working mixture. Significant differences in the breakdown in an electrodeless lamp of a high-frequency capacitive discharge are its independence from the electrode material and the fact that electrons are formed only in the gas and move alternately from one electrode to another. In this case, the electron concentration and energy is sufficient to excite iodine and a buffer gas, which leads to powerful spontaneous emission of atomic lines of iodine.

Увеличение выхода излучения при добавках к смеси легкого инертного газа гелия может быть связано с увеличением концентрации электронов в разряде и эффективной передачей энергии от возбужденных атомов гелия к йоду [4]. An increase in the radiation yield upon addition to a mixture of a light inert helium gas can be associated with an increase in the concentration of electrons in the discharge and efficient transfer of energy from excited helium atoms to iodine [4].

Увеличение эффективности свечения атомарных линий йода для смеси Xe - I₂ может быть связано с наличием предиссоциативного терма молекулы XeI^*, что приводит при диссоциации XeI^* на Xe и I^* к увеличению концентрации возбужденных атомов йода и далее, к увеличению интенсивности спонтанного излучения на атомарных линиях йода.An increase in the efficiency of luminescence of atomic iodine lines for the Xe - I ₂ mixture can be due to the presence of a predissociative term of the XeI ^* molecule, which, when XeI ^{* is} dissociated into Xe and I ^* , leads to an increase in the concentration of excited iodine atoms and further to an increase in the intensity of spontaneous emission at atomic lines of iodine.

В смесях, содержащих Xe и Не работают оба означенных механизма. In mixtures containing Xe and Do not work both of the above mechanisms.

Примеры исследования эффективности работы йодной лампы с использованием предлагаемой рабочей среды. Возбуждение рабочей среды осуществлялось в цилиндрической кварцевой трубке с внутренним диаметром 40 мм и длиной 15 см, у торцов которой на поверхность стекла накладывалась пара кольцевых электродов. Пропускание кварца в диапазоне длин волн испускаемого лампой излучения составляло не менее 85%. Внутренняя полость трубы посредством стеклянного крана сообщалась с вакуумным постом и системой напуска газа. Рабочая среда готовилась непосредственно в полости лампы. Предварительно некоторое количество йода, находящегося в кристаллическом состоянии, помещалось во внутреннюю полость трубы. Затем лампа откачивалась, обезгаживалась и далее в трубу напускался буферный газ. Давление паров йода в рабочей среде определялось величиной упругости паров йода, соответствующей температуре самой холодной зоны лампы при ее работе. Генератор накачки лампы высокочастотного емкостного разряда позволял создавать на электродах лампы разнополярные импульсы напряжения амплитудой от 1 до 5 кВ, частота которых могла варьироваться в диапазоне от 1 кГц и выше. Измерение интенсивности излучения в требуемом спектральном диапазоне производилось калиброванным фотодиодом ФЭК-22 СПУ и набором светофильтров с известными коэффициентами пропускания в различных спектральных диапазонах по известной методике [3]. Кроме того, снимался спектр излучения лампы, в частности, в диапазоне 200 - 600 нм с помощью малогабаритного монохроматора МУМ. Описанные ниже результаты распространяются на широкий диапазон частот импульсов накачки от десятков кГц до ГГц, пока будут работать указанные механизмы, увеличивающие выход излучения. Examples of studies of the efficiency of the iodine lamp using the proposed working environment. The working medium was excited in a cylindrical quartz tube with an internal diameter of 40 mm and a length of 15 cm, at the ends of which a pair of ring electrodes were superimposed on the glass surface. The transmission of quartz in the wavelength range of the radiation emitted by the lamp was at least 85%. The inner cavity of the pipe was connected via a glass crane with a vacuum post and a gas inlet system. The working medium was prepared directly in the cavity of the lamp. Previously, a certain amount of iodine in a crystalline state was placed in the inner cavity of the pipe. Then the lamp was pumped out, degassed, and then buffer gas was introduced into the pipe. The iodine vapor pressure in the working medium was determined by the value of the iodine vapor elasticity corresponding to the temperature of the coldest zone of the lamp during its operation. A high-frequency capacitive discharge lamp pump generator made it possible to create bipolar voltage pulses with an amplitude of 1 to 5 kV on the lamp electrodes, the frequency of which could vary in the range from 1 kHz and higher. The radiation intensity in the required spectral range was measured by a calibrated FEK-22 SPU photodiode and a set of light filters with known transmittance in different spectral ranges according to the known method [3]. In addition, the emission spectrum of the lamp was shot, in particular, in the range 200 - 600 nm using a small-sized MUM monochromator. The results described below apply to a wide range of frequencies of pump pulses from tens of kHz to GHz, while these mechanisms will work, increasing the radiation output.

В ходе эксперимента были определены интенсивности излучения в области λ < 250 нм при работе лампы с рабочими средами Ne - I₂, Kr - I₂, Хе - I₂, He-I₂ и He-Хе-I₂ при равных парциальных давлениях гелия и ксенона, а также для сопоставления результатов с [1] в смеси Ar-I₂ и в парах йода. Оптимальное давление рабочей среды, при котором обеспечивался максимальный уровень мощности ультрафиолетового излучения зависит от частоты повторения импульсов и для частоты 20 кГц не превышало 15 торр, причем использование более тяжелых буферных газов уменьшает оптимальное давление. Повышение давления выше оптимального при заданной частоте приводило к уменьшению мощности излучения и ухудшению горения разряда за счет его контрагирования.During the experiment, radiation intensities were determined in the region λ <250 nm when the lamp was operating with working media Ne - I ₂ , Kr - I ₂ , Xe - I ₂ , He-I ₂ and He-Xe-I ₂ with equal partial helium pressures and xenon, as well as to compare the results with [1] in a mixture of Ar-I ₂ and in iodine vapor. The optimal pressure of the working medium, at which the maximum level of ultraviolet radiation power was provided, depends on the pulse repetition rate and for a frequency of 20 kHz does not exceed 15 torr, and the use of heavier buffer gases reduces the optimal pressure. An increase in pressure above the optimum at a given frequency led to a decrease in the radiation power and to a deterioration in the burning of the discharge due to its contraction.

В таблице представлены данные по определению мощности излучения лампы в диапазоне λ < 250 нм для различных рабочих сред. Возбуждение осуществлялось при одинаковых давлениях буферного газа и паров йода, а также при одинаковом подаваемом на электроды лампы от источника питания напряжении на частоте 20 кГц. The table presents data on the determination of the radiation power of the lamp in the range λ <250 nm for various working environments. The excitation was carried out at the same pressure of the buffer gas and iodine vapor, as well as at the same voltage supplied to the lamp electrodes from the power source at a frequency of 20 kHz.

Из таблицы видно, что наибольшие величины мощности излучения имеют место для рабочих сред He-I₂, Xe-I₂, He-Xe-I₂. Эффективность излучения при этом составляла не менее ~ 9%. При использовании рабочей среды Ar - I₂ лампа работает значительно хуже. Величина эффективности при этом не превышает ~ 1 %. Возбуждение только паров йода без добавок буферного газа в указанных условиях по питанию и геометрии требовало предварительного подогрева лампы и давало очень низкие мощности излучения.It can be seen from the table that the highest values of the radiation power occur for the working media He-I ₂ , Xe-I ₂ , He-Xe-I ₂ . The radiation efficiency in this case was at least ~ 9%. When using the working medium Ar - I _{2 the} lamp works much worse. The value of efficiency in this case does not exceed ~ 1%. The excitation of only iodine vapors without the addition of buffer gas under the indicated nutrition and geometry conditions required preliminary heating of the lamp and gave very low radiation powers.

Литература
1. Harteck P., Reeves R.R. and Thompson B.A. Naturforsch Z., v. 19, p. 2 (1964).Literature
1. Harteck P., Reeves RR and Thompson BA Naturforsch Z., v. 19, p. 2 (1964).

2. Liuti G. and Mental J.E. Rev. Sci. Instr. v. 39, p. 1767 (1968). 2. Liuti G. and Mental J.E. Rev. Sci. Instr. v. 39, p. 1767 (1968).

3. Импульсные источники света. / Под ред. Маршака И.С. - М.: Энергия, 1978. 3. Pulse light sources. / Ed. Marshak I.S. - M .: Energy, 1978.

4. Френсис Г. Ионизационные явления в газах. - М.: Атомиздат, 1964. 4. Francis G. Ionization phenomena in gases. - M .: Atomizdat, 1964.

5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1992. 5. Riser Yu.P. Physics of gas discharge. - M.: Science, 1992.

Claims

The working medium of a capacitive high-frequency discharge lamp emitting in the ultraviolet region of the spectrum, containing iodine vapor, characterized in that xenon, or helium, or a mixture thereof is added to the working medium.