RU2326463C2 - Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области фотохимических и фотофизических технологий и может найти широкое применение в квантовой электронике при фотоионизационном возбуждении лазерных и плазмохимических сред, в микроэлектронике при производстве интегральных схем, в медицине и экологии при создании бактерицидных установок, а также при создании фотохимических реакторов различного назначения. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы содержит многозазорную структуру электродов, выполненную в виде колец, размещенных с шагом друг от друга с заданными щелевыми промежутками и расположенных на покрытых диэлектрической пленкой поджигающих электродах, выполненных в виде металлических стержней, соединенных между собой параллельно, при этом кольцевые электроды, расположенные на разных стержнях, расположены напротив друг друга и соединены в электрическую цепь, подключенную к емкостному накопителю энергии. Ширина каждого кольцевого электрода, толщина и коэффициент диэлектрической проницаемости диэлектрической пленки, покрывающей стержневой электрод, выполнены таким образом, что электрическая емкость между кольцевым и поджигающим электродом больше емкости щелевого разрядного промежутка. Технический результат: увеличение эффективности генерации фотонов повышенной энергии. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области фотохимических и фотофизических технологий и может найти широкое применение в квантовой электронике при фотоионизационном возбуждении лазерных и плазмохимических сред, в микроэлектронике при производстве интегральных схем, в медицине и экологии при создании бактерицидных установок, а также при создании фотохимических реакторов различного назначения.

Известны газоразрядные парортутные лампы низкого давления [1], решающие проблему генерации ультрафиолетового излучения с помощью плазмы тлеющего разряда и получения потока фотонов с большим поперечным сечением. В такой лампе эффективно возбуждается излучение вблизи длин волн λ=254 нм и λ=185 нм в соотношении примерно 10:1. При использовании кварцевой оболочки такие лампы нашли широкое применение в качестве малоинтенсивных источников ультрафиолетового излучения. Основной недостаток таких ламп для использования в фотохимических и фотофизических технологиях связан с принципиальным ограничением интенсивности ультрафиолетового излучения на уровне 10^-3 Вт/см² и наличием экологически опасного вещества - ртути.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы [2]. На диэлектрической подложке формировалась матрица электродов, состоящая из N≥1 цепочек электродов с количеством зазоров М≥10. Цепочки электродов объединялись в параллельно-последовательную электрическую цепь и с обратным токопроводом через управляемый разрядник подключались к накопительной емкости С, заряжаемой до напряжения пробоя газоразрядных промежутков U. RCL-разрядный контур с управляемым разрядником обеспечивал импульсно-периодический режим работы и формирование матрицы излучающих шнуров плазмы. Источник ультрафиолетового излучения представлял собой многозазорный скользящий разряд, допускающий плотность расположения разрядных зазоров на поверхности диэлектрической пластины порядка 1 см^-2. При увеличении масштабов источника УФ наблюдалось рассогласование RCL-контура и появление колебаний тока, эффективность источника УФ резко ухудшалась. RCL-схемы излучающего разряда с последовательно включенным коммутатором (разрядник или тиратрон) не могли обеспечить паразитную индуктивность меньше 0,5 мкГн и обеспечить апериодический режим токовых импульсов. Исследования показали, что источник обеспечивал достаточно интенсивную вспышку УФ при апериодической форме разряда с длительностью импульса тока t≤1 мкс и скорости нарастания тока dI/dt≥10⁹ А/с. При рассогласовании RCL-контура и появлении колебаний тока эффективность источника УФ резко ухудшалась. Коротковолновый ультрафиолет с энергией фотонов порядка 10 эВ отсутствовал в случае, когда длительность разрядного тока превышала 1 мкс.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность генерации фотонов повышенной энергии и получить коротковолновое УФ-излучение за счет более быстрого подвода энергии к излучающим сильноточным микрошнурам плазмы и достижения более высокой температуры равновесно нагретой плазмы.

В предлагаемом импульсно-периодическом широкоапертурном источнике ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы, содержащем многозазорную структуру электродов, образующих щелевые разрядные промежутки и подключенных к емкостному накопителю энергии, обеспечивающий импульсно-периодический режим излучающего разряда, структура электродов выполнена в виде колец, размещенных с шагом друг от друга с заданным щелевым промежутком и расположенных на покрытых диэлектрической пленкой поджигающих электродах, выполненных в виде системы параллельных металлических стержней, скрепленных по торцам металлическими пластинами, при этом кольцевые электроды, расположенные на разных трубках, расположены напротив друг друга и соединены в электрическую цепь, подключенную к емкостному накопителю энергии. Кольцевые электроды могут быть соединены как в последовательную, так и в параллельно-последовательную электрическую цепь. Ширина каждого кольцевого электрода, толщина и коэффициент диэлектрической проницаемости диэлектрической пленки, покрывающей стержневой электрод, выполнены таким образом, что емкость между кольцевым и поджигающим электродом больше емкости щелевого разрядного промежутка. Структура электродов может быть открытой для работы в окружающем воздухе или в атмосфере газоразрядного лазера (фотохимического реактора). Может использоваться ламповый вариант, когда структура электродов расположена в газоразрядной камере, снабженной герметичным выходным оптическим окном для вывода УФ-излучения. Камера может заполняться любой заданной смесью газов, например смесью инертных газов с галогенами для генерации эксимерного УФ-излучения.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема импульсно-периодического широкоапертурного источника ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы.

Источник УФ-излучения состоит из N стержневых поджигающих электродов 1, электрически соединенных по торцам металлическими пластинами 2, покрытых диэлектрической пленкой-изолятором 3 и образующих решетку. Отметим, что стержневые электроды могут быть собраны в плоскую или цилиндрическую структуру. На стержневую структуру нанизано М кольцевых электродов 4 из молибдена или вольфрама, имеющих высокую термостойкость и устойчивость к сильным окислителям (фтор, озон, хлор и т.д.). Таким образом, сформирована матрица кольцевых электродов числом A=M·N. Кольцевые электроды 4 соединены в последовательную или параллельно-последовательную электрическую цепь, электрически изолированы от стержневых электродов 1 и накоротко подключены к емкостному накопителю энергии 5, который периодически подзаряжается от выпрямителя 6. Кольцевые электроды совместно с емкостным накопителем энергии образуют RCL-разрядный контур, который должен обеспечить режим сильноточного апериодического разряда короткой длительности с высокой частотой повторения. Кольцевые электроды 4, стержневые электроды 1 и маломощный высоковольтный источник переменного тока (или импульсно-периодический генератор) 7 образуют секционированную емкостную электроразрядную структуру для генерации вспомогательного (емкостного или барьерного) разряда в щелевых зазорах, который инициирует развитие основного мощного разряда при срабатывании емкостного накопителя энергии 5. Для эффективного возбуждения барьерного разряда (или секционированного емкостного разряда) в матрице разрядных промежутков целесообразно обеспечить максимально возможную электрическую емкость матрицы конденсаторов, которые образованы благодаря предложенной в изобретении электродной структуре. Каждый кольцевой электрод, насаженный на стержневой электрод, покрытый тонким слоем диэлектрика с большим коэффициентом диэлектрической проницаемости, представляет собой конденсатор. Для эффективного возбуждения барьерного разряда необходимо, чтобы емкость такого конденсатора превышала емкость разрядного промежутка, что легко достигается за счет выбора параметров диэлектрика и геометрических параметров контакта кольцевого электрода со стержневым электродом, покрытым тонким слоем диэлектрика.

При работе источника УФ в ламповом режиме возможна генерация эксимерного УФ-излучения при использовании соответствующей газовой смеси (инертные газы и галогены) и поддержании сильноточных разрядов короткой длительности, а также электросинтез озона при использовании протока воздуха (кислородосодержащих газов) и поддержании барьерного (вспомогательного) разряда.

Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы работает следующим образом.

Емкостной накопитель энергии 5 подключен к многозазорной электродной структуре 4 и постоянно подзаряжается от выпрямителя 6 до напряжения ниже и вблизи пробойного значения. При подаче напряжения от импульсно-периодического генератора 7 на электроды 1 и 4 возбуждается барьерный разряд в щелевых разрядных промежутках электродной структуры 4, что приводит к инициированию сильноточного разряда при срабатывании емкости 5. Благодаря этому образуется матрица сильноточных излучающих микрошнуров плазмы с параметрами, близкими к параметрам микроZ-пинчей. По сути найдено техническое решение для реализации режима двойного разряда, когда маломощный источник питания 7 обеспечивает горение барьерного разряда, предионизацию разрядных промежутков и коммутацию основного RCL-разряда (источник питания 5) с заданной частотой. Таким образом, возможна реализация двух режимов: 1. - режим барьерного разряда для генерации малоинтенсивного УФ-излучения и электросинтеза озона в зависимости от выбранной газовой среды; 2. - режим двойного разряда для генерации высокоинтенсивного УФ-излучения, когда сведена до минимума паразитная индуктивность RCL-контура и обеспечена высокая скорость нарастания тока и энерговклада в микрошнуры плазмы, удерживаемые от расширения (разлета) магнитным полем сильноточного разряда короткой длительности. Исследования показали, что источник УФ обеспечивал достаточно интенсивную вспышку УФ при апериодической форме разряда с длительностью импульса тока t≤1 мкс и скорости нарастания тока dI/dt≥10⁹ А/с. По аналогии с Z-пинчем температура, плазмы Т~I²/N~W/L·n·r², (здесь N=n·π·r² - погонное число частиц, I - ток в шнуре, W - энергия, запасенная в конденсаторе.). Отсюда видно, что оптимальную температуру плазмы можно обеспечить за счет выбора параметров W, L, r, при этом время вспышки УФ-излучения t≈√LC, что соответствует времени достижения током своего максимального значения. Из экспериментов следует, что в диапазоне энерговкладов в отдельный микрошнур плазмы W/A=10^-2-1 Дж за время t≤I мкс при облучении смеси Ar:Хе, здесь Хе - присадка с концентрацией N_x≤0,1% за счет прямой фотоионизации образуется пиковая концентрация электронов N_e~10¹¹-10¹⁴ см^-3, что говорит о высокой интенсивности УФ-излучения в коротковолновой области спектра с длиной волны порядка λ≤100 нм или энергией фотонов Е_ф≥12.1 эВ.

В ламповом варианте газовая камера заполнена рабочей средой в отпаянном режиме или может быть выполнена проточной с заданным массовым расходом. Для генерации УФ-излучения используются чистые инертные газы, инертные газы с присадкой галогенов, азот, воздух при оптимальном давлении Р≥1 атм, а стенки газовой камеры выполнены из оптически прозрачного материала (кварц, MgF₂, LiF и т.д.) для вывода УФ-излучения. Отметим, что возможен режим генерации цветного видимого света в случае, когда на внутренние стенки оптически прозрачной газовой камеры наносят слой фотолюминофора заданной цветности. В этом случае УФ-излучение используется для возбуждения соответствующего фотолюминофора и генерации видимого излучения с заданным спектральным составом излучения в видимой части спектра.

Для электросинтеза озона используются кислород, воздух или кислородосодержащие смеси газов. Отметим, что газоразрядный источник может использоваться для генерации низкотемпературной, сильнонеравновесной плазмы для лазерных и плазмохимических целей. В этом случае газовая камера может заполняться лазерной или плазмохимической смесью газов при заданном давлении. При работе в воздушной среде зарегистрировано ультрафиолетовое излучение в коротковолновой области, ограниченной лишь поглощением воздуха вблизи 180 нм. Отметим, что при работе лампы в атмосфере воздуха наблюдался фотосинтез озона.

В качестве примера приведены физико-технические характеристики источника УФ с апертурой 100×100 мм.

1. Модульная конструкция содержит матрицу разрядных промежутков А=9×10=90 с зазором 0,2 мм.

2. Схема организации разряда представляет собой двойной разряд, когда возможен режим барьерного разряда и последующее инициирование сильноточного разряда при подключении емкостного накопителя энергии.

3. Параметры плазмы могут изменяться от характеристик барьерного разряда (низкотемпературная сильно неравновесная плазма) до характеристик сильноточного разряда короткой длительности (режим микроZ-пинча, равновесная плазма с температурой порядка 1-5 эВ при значении dI/dt≥10⁹-10¹⁰ А/с).

4. Режим работы источника плазмы определяется схемой питания барьерного разряда и задается маломощным импульсно-периодическим генератором высоковольтных импульсов с частотой до F~10⁴ Гц при длительности импульсов разряда t<1 мкс и энерговкладе в отдельный разрядный промежуток W≤0,1 мДж. Возможен квазинепрерывный режим при использовании источников переменного тока для питания барьерного разряда с частотой в ВЧ-диапазоне.

5. В зависимости от режима работы потребляемая электрическая мощность составляла 10-10³ Вт.

6. Плазма сильноточного разряда короткой длительности интенсивно излучала в спектральной области Δλ=100-300 нм (азот, инертные газы, р=1 атм), и в диапазоне Δλ=180-300 нм (окружающий воздух).

7. Длительность УФ-излучения t≤1 мкс.

8. Ресурс - не определен, опытный образец с электродами из молибдена проработал около 100 часов и не имел видимых повреждений.

Конструкция газоразрядного источника позволяет проводить ее масштабирование в широком диапазоне линейных размеров, форма может быть плоской или цилиндрической. Такой источник может найти самое широкое применение во многих фотохимических и фотофизических технологиях в квантовой электронике, микроэлектронике, медицине и экологии, а также при создании фотохимических реакторов различного назначения.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно улучшить схему организации сильноточного разряда короткой длительности и реализовать достаточно управляемый режим нагрева излучающей плазмы. Благодаря этому удается получить интенсивное УФ-излучение в заданной спектральной области.

Источники информации

1. Я.Рабек. Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике. Москва, "Мир", 1985, том 1, с.40-153.

2. Richardson M.C., Leopold К. Multiple arc radiation preionizer for gas laser. US Patent No 4041414, Aug. 9, 1977.

Claims (5)

1. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы, содержащий многозазорную структуру электродов, образующих щелевые разрядные промежутки и подключенных к емкостному накопителю энергии, обеспечивающий импульсно-периодический режим излучающего разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности генерации фотонов повышенной энергии, структура электродов выполнена в виде колец, размещенных с шагом друг от друга с заданными щелевыми промежутками и расположенных на покрытых диэлектрической пленкой поджигающих электродах, выполненных в виде металлических стержней, соединенных между собой параллельно, при этом кольцевые электроды, расположенные на разных стержнях, расположены напротив друг друга и соединены в электрическую цепь, подключенную к емкостному накопителю энергии.

2. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы по п.1, отличающийся тем, что ширина каждого кольцевого электрода, толщина и коэффициент диэлектрической проницаемости диэлектрическрй пленки, покрывающей стержневой электрод, выполнены таким образом, что емкость между кольцевым и поджигающим электродами больше емкости щелевого разрядного промежутка.

3. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы по п.1, отличающийся тем, что кольцевые электроды соединены в последовательную параллельную электрическую цепь.

4. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы по п.1, отличающийся тем, что кольцевые электроды соединены в параллельно-последовательную электрическую цепь.

5. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе матрицы микрошнуров плазмы по п.1, отличающийся тем, что структура электродов расположена в газоразрядной камере, снабженной герметичным выходным оптическим окном и заполненной эксимерной смесью газов.