RU2794206C1

RU2794206C1 - Small-sized radiation source excited by a barrier discharge

Info

Publication number: RU2794206C1
Application number: RU2022104446A
Authority: RU
Inventors: Виктор Федотович Тарасенко; Виктор Семенович Скакун; Дмитрий Алексеевич Сорокин
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-04-12

Abstract

FIELD: radiation sources.

SUBSTANCE: sources of spontaneous radiation excited by a barrier discharge, which have a small cross section of the output beam ≈10 mm or less. A small-sized radiation source excited by a barrier discharge contains a flask made of a quartz tube and filled with an inert gas or its mixture with a halogen carrier. At one end of the flask there is an output window with high transparency at the operating wavelength, from the side of the output window the tubular flask is made flattened and on opposite sides of the flattened part of the flask there are electrodes at a minimum distance from each other, while the output window is made protruding above the flask, providing protection against surface breakdown.

EFFECT: increasing of the power density of short-wave radiation with a small cross section of the output beam.

1 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of creating radiation sources with excitation by a barrier discharge with an output beam size of ≈10 mm or less. Such sources are used to calibrate spectral partings, in which the size of the entrance slit does not exceed 10 mm, to irradiate small objects used in photochemistry and biology, and also to test photoionization devices. Sources are used in the fields of science and technology, where radiation is needed in the vacuum ultraviolet (VUV) and ultraviolet (UV) regions of the spectrum.

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].It is known that gas-discharge sources are widely used to create sources of spontaneous emission in the VUV and UV regions of the spectrum [1]. To excite such devices, which emit both in the VUV and in the UV and spectral regions, a barrier discharge is usually used. This allows you to increase the working pressure of the gas in the emitter, respectively, and the specific radiation power. To obtain VUV and UV radiation, the most used transitions are excimer molecules (Ar ₂ ^* - wavelength 126 nm, Kr ₂ ^* - 146 nm and Xe ₂ ^* -172 nm) and effective exciplex molecules (KrBr ^* - 207 nm, KrCl ^* - 222 nm, XeBr ^* - 283 nm and XeCl ^* - 308 nm), which, under optimal excitation conditions and optimal dimensions of the output beam of these sources (length, width of units - tens of centimeters or more), make it possible to obtain high powers and radiation power densities (tens - hundreds mW / cm ² ). Description of the known sources of VUV and UV radiation is available in monographs, articles and patents [1-7]. Closest in essence to the claimed sources of short-wave spontaneous radiation with transverse dimensions of the output beam ≈10 mm or less, which are selected as analogues, are described in patents [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.A known source of UV radiation is described in patent RU 2560931 C1 [5], excited by a barrier discharge, containing an emitter that includes a dielectric cylindrical bulb with a gaseous medium, on the outer side of which there are electrodes, a diaphragm and an output dielectric window that is transparent at operating wavelengths . The source electrodes are made cylindrical, forming a discharge gap in the flask, behind which a diaphragm is placed along the optical axis, which is made in the form of either a second tube or local indentation of the flask walls, which ensured the creation of a small-sized device with an output beam diameter of 10 mm or less.

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.The disadvantages of the source include the following. Placement of both cylindrical electrodes on the outer surface of the flask, which does not allow working at optimal pressures of inert gases and their mixtures with halogen carriers, which are hundreds of Torr. This, under comparable conditions, leads to a significant (by a factor of 2 or more) decrease in the radiation power density and efficiency. In addition, at reduced pressures, the emission spectra are broadened and additional bands appear. Also, the installation of a diaphragm, which increases the distance from the emitting region of the discharge to the exit window, leads to a decrease in the radiation power density behind the exit window.

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.In a small-sized radiation source, two modifications of which are given in utility model patents RU 59324 U1, RU 200241 U1 [6, 7], when creating a bulb, two quartz tubes are used, which are located perpendicular to each other, and the axis of the inner tube was parallel to the plane of the outlet window. The modernized version of the radiation source [7] differs from the one created earlier [6] in that the output window has a cylindrical narrowing, on the outer surface of which a grounded electrode is placed.

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.The main disadvantage of this analogue is the complexity of its manufacture. A tube of a smaller diameter, the axis of which is parallel to the exit window, must be soldered into a tube of a larger diameter. Moreover, when performing a cylindrical narrowing on the outer tube, the complexity of manufacturing the flask increases.

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.The closest analogue in design and technical essence to the claimed device, which is selected as a prototype, is the radiation source described in patent RU 2546144 C2 [8]. The radiation source with excitation by a barrier discharge, described in [8], contains a cylindrical flask filled with an inert gas or its mixture with a halogen carrier, a power source connected to two electrodes, one of which is perforated and placed on the outer surface of the output window, the other high-voltage electrode is placed on the outer surface of the cylindrical flask connected to the buffer volume, its position, as well as the diameters of the outlet window and the cylindrical flask, were chosen to prevent surface breakdown. The inner diameter of the cylindrical bulb of such a radiation source is usually ≈10 mm or less.

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.The disadvantages of the prototype include relatively low power density radiation with an inner diameter of the bulb at the exit window of 10 mm or less. This diameter determines the size of the radiation beam emerging from the window and affects the properties of the discharge. With an increase in the inner diameter of the bulb, the radiation power density decreases. In addition, the distribution of the radiation power density over the cross section of the output beam with an increase in gas pressure, which leads to an increase in the radiation power density, becomes uneven and has a dip in the center of the output beam. This is due to the fact that the discharge plasma with a perpendicular arrangement of the electrodes is mainly formed near the inner surface of the high-voltage electrode, which is placed on the outer surface of the cylindrical bulb. In this case, the thickness of the plasma layer decreases with increasing pressure.

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.The problem solved with the help of this invention is to create a radiation source excited by a barrier discharge, having an output beam of ≈10 mm or less with a higher radiation power density.

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.The technical result of this invention, in comparison with the prototype, is an increase in the radiation power density with an output beam size of 10 mm or less, with a uniform distribution of the radiation power density over the cross section of the output beam.

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.The specified technical result is achieved in a radiation source excited by a barrier discharge, containing two electrodes, a flask made of a quartz tube and filled with an inert gas or its mixture with a halogen carrier, at one end of which there is an output window having high transparency at the operating wavelength. According to the invention, the part of the flask on the side of the outlet window is made flattened, the electrodes are installed on opposite sides of the flattened part of the flask and are located on its outer flat surfaces.

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.Figure 1 shows a source of radiation excited by a barrier discharge, behind a transparent output window (a), and also and also shows its cross section (b) 1 - cylindrical part of the bulb, 2 - transitional part of the bulb from cylindrical to oblate, flattened part of the flask, 4 - electrodes, 5 - exit window, 6 - internal volume of the flask filled with an inert gas or its mixture with a halogen carrier.

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.A small-sized source of radiation excited by a barrier discharge operates as follows. From the power source, voltage pulses with an amplitude of ≈4 kV are applied to the electrodes 4. As a result, the breakdown of the working mixture 6 occurs in the flattened part of the flask 3 in the area between the electrodes 4 and a pulsed barrier discharge is formed. Tests of the proposed source were carried out when filling the emitter bulb with xenon. Due to plasmochemical reactions, when xenon is excited, excimer Xe ₂ ^* molecules are formed, which emit predominantly at a wavelength of 172 nm. Spontaneous radiation from the emitter bulb exits through window 5. Switching power supplies, the brand of quartz used to make the output window of the claimed source and the prototype [8] were the same during testing. Tests of the created small-sized radiation source were carried out for two internal gaps in the flattened part of the bulb 3 and 6 mm. With a gap of 6 mm, the radiation power density at an optimal xenon pressure of 240 Torr was ≈26 mW/cm ² . In the prototype, this power was 15 mW/cm ² [8]. With a decrease in the gap in the flattened part of the flask to 3 mm, the optimal xenon pressure increased to 375 Torr, and the radiation power density of xenon dimers at a wavelength of 172 nm increased to ≈30 mW/ ^cm2 .

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.In the prototype and the proposed invention, the designs of the electrodes and their installation sites are significantly different. The high-voltage electrode in the prototype is placed on the outer surface of the cylindrical bulb and, accordingly, has the shape of a cylinder, and the second electrode is perforated and placed on the outer surface of the output window. At the same time, their surfaces, in which the discharge plasma is concentrated in the internal volume of the tube, are arranged perpendicularly. The proposed invention uses two electrodes located on opposite flat sides of the flattened part of the quartz tube. This changes the characteristics of the discharge and the technical result is achieved by increasing the radiation power density.

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.The design of the proposed small-sized radiation source excited by a barrier discharge is universal and can be used to produce radiation at various wavelengths (126, 146, 172, 207, 222, 283, 308 nm, and others). This is achieved by filling the emitter bulb with an appropriate gas mixture and using an exit window with transmission at the operating wavelength.

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.The created small-sized radiation source excited by a barrier discharge can be used in various fields of science and technology, where it is necessary to irradiate with short-wave ultraviolet or vacuum ultraviolet radiation with a beam diameter of ≈10 mm or less.

Источники информацииInformation sources

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. 161-199.1. 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.045403.2. 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 №23.3. Patent RU 2258975 C1. Published 08/20/2005. Bulletin No. 23.

4. Патент RU 75503 U1. Опубл. 10.08.2008. Бюллетень №22.4. Patent RU 75503 U1. Published 08/10/2008. Bulletin No. 22.

5. Патент RU 2560931 С1. Опубл. 20.08.2015. Бюллетень №23.5. Patent RU 2560931 C1. Published 08/20/2015. Bulletin No. 23.

6. Патент RU 59324 U1. Опубл. 10.12.2006. Бюллетень №34.6. Patent RU 59324 U1. Published 12/10/2006. Bulletin No. 34.

7. Патент RU 200241 U1. Опубл. 14.10.2020. Бюллетень №29.7. Patent RU 200241 U1. Published 10/14/2020. Bulletin No. 29.

8. Патент RU 2546144 С2. Опубл. 10.04.2015. Бюллетень №10.8. Patent RU 2546144 C2. Published 04/10/2015. Bulletin No. 10.

Claims

A radiation source excited by a barrier discharge, containing two electrodes, a flask made of a quartz tube and filled with an inert gas or its mixture with a halogen carrier, at one end of which there is an output window having high transparency at the operating wavelength and providing protection against breakdown between electrodes, as well as a switching power supply connected to the electrodes, characterized in that the part of the quartz bulb on the side of the output window is made flattened, the electrodes are installed on opposite sides of the flattened part of the bulb and are located on its outer flat surfaces.