UA62774A

UA62774A - Multiwave electric-discharge lamp with visible and ultraviolet radiation

Info

Publication number: UA62774A
Application number: UA2003054554A
Authority: UA
Inventors: Oleksandr Mykolaiovych Malynin
Original assignee: Nat Univ Uzhgorod
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2003-12-15

Abstract

The proposed multiwave electric-discharge lamp with visible and ultraviolet radiation contains electrodes and a discharge tube filled with mix of mercury diiodide and dibromide vapors, filling gas and nitrogen.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до газорозрядної електроніки, світлотехніки і може використовуватись для накачки 2 твердотільних і рідинних лазерів, в біотехнології, агрофізиці та медицині.The invention relates to gas-discharge electronics, lighting technology and can be used for pumping 2 solid-state and liquid lasers, in biotechnology, agrophysics and medicine.

Відоме ексимерне джерело спонтанного випромінювання видимого діапазону на системі молекулярних смугA known excimer source of spontaneous radiation in the visible range on the system of molecular bands

НоВг" (перехід В-Х) з максимумом випромінювання на довжині хвилі 5, рівній 502нм, яке збуджується при фотодисоціації парів НоВго світлом неперервної ксенонової лампи, попередньо пропущеним Через монохроматор (11. то Недоліком відомого джерела є те, що оптична накачка молекул моноброміду ртуті ксеноновою лампою з використанням монохроматора ускладнює та робить громіздкою експериментальну установку.NoHg" (B-X transition) with a radiation maximum at wavelength 5, equal to 502 nm, which is excited during the photodissociation of NoHg vapors by the light of a continuous xenon lamp previously passed through the monochromator (11. The disadvantage of the known source is that the optical pumping of mercury monobromide molecules with a xenon lamp using a monochromator complicates and makes the experimental setup cumbersome.

Відоме ексимерне джерело випромінювання видимого діапазону на системі молекулярних смуг На!" (перехідA known excimer source of radiation in the visible range on the system of molecular bands Na!" (transition

В-Х) з максимумом випромінювання на довжинах хвиль 44Знм і 444нм, яке збуджується у плазмі на суміші парів дийодиду ртути (НаІ») гелію та азоту поперечного електричного розряду з фотоіонізацією при дисоціації т молекул На)» (21.B-X) with a radiation maximum at the wavelengths of 44Сnm and 444nm, which is excited in the plasma by a mixture of vapors of mercury diiodide (NaI"), helium and nitrogen transverse electric discharge with photoionization during the dissociation of t molecules of Na)" (21.

Недоліком відомого джерела є те, що застосування поперечного електричного розряду з фотоіонізацією ускладнює та робить громіздким джерело. Окрім того, в джерелі досягаються малі значення енергії випромінювання (ЗмДж) та ККД (6.107395).The disadvantage of the known source is that the application of transverse electric discharge with photoionization complicates and makes the source bulky. In addition, the source achieves low values of radiation energy (ZmJ) and efficiency (6.107395).

Прототипом до запропонованої електророзрядної лампи видимого та ультрафіолетового спектрального діапазону випромінювання є джерело випромінювання, яке вміщує систему електродів, об'єм з робочою сумішшю, яке збуджувалось тривалим (10-15мкс) широкосмуговим випромінюванням поверхневого розряду з лінійно стабілізованим іскровим каналом |З, 4). Генерація здійснювалась на ву, -ах переходах 2 аг об молекул Наї та НоВг", які утворювались з вихідних молекул На/» і НоВго в результаті фотодисоціації під дією короткохвильового УФ випромінювання. Максимум одночасного випромінювання спостерігався при довжинах « хвиль 7, рівних 44Знм, 444нм та 502нм і 504нм. Енергія в імпульсі випромінювання дорівнювала 0.5-0.1Дж, тривалість імпульсу випромінювання дорівнювала 2.5-Змксе. Максимальна частота повторення імпульсів дорівнювала 0.1ГцЦ. « зо Спільні суттєві ознаки прототипу і винаходу: джерело випромінювання синьо-зеленого спектрального діапазону випромінювання, яке містить систему електродів, об'єм з робочою сумішшю парів дийодиду та - диброміду ртуті з буферним газом, основними робочими хвилями якого є випромінювання молекул монойодиду ч- та моноброміду ртуті (Наї) та (НоВг) на В-Х - переході, з максимумом випромінювання при довжинах хвиль (443, 444, 502, 504)3НМ. сThe prototype for the proposed electric discharge lamp in the visible and ultraviolet spectral range of radiation is a radiation source that contains a system of electrodes, a volume with a working mixture, which was excited by long-term (10-15 μs) broadband radiation of a surface discharge with a linearly stabilized spark channel |Z, 4). The generation was carried out at the transitions of 2 ag to Nai and NoBg molecules, which were formed from the original Na/" and NoBg molecules as a result of photodissociation under the action of short-wave UV radiation. The maximum of simultaneous radiation was observed at wavelengths of 7, equal to 44 nm, 444 nm and 502nm and 504nm. The energy in the radiation pulse was equal to 0.5-0.1J, the duration of the radiation pulse was equal to 2.5-Zmxe. The maximum repetition frequency of the pulses was equal to 0.1Hz. Common essential features of the prototype and the invention: a source of radiation in the blue-green spectral range of radiation, which contains a system of electrodes, a volume with a working mixture of mercury diiodide and mercury dibromide vapors with a buffer gas, the main working waves of which are the radiation of mercury monoiodide h- and mercury monobromide (Nai) and (NoVg) molecules at the V-X transition, with a radiation maximum at wavelengths (443, 444, 502, 504)3NM.

Відомий пристрій має недолікь Немає випромінювання в ультрафіолетовому спектральному діапазоні, Ге) максимальна частота повторення імпульсів обмежується часом відновлення електричної міцності міжелектродного проміжку поверхневого розряду і не може перевищувати 100Гц (З,4).The known device has the disadvantage that there is no radiation in the ultraviolet spectral range, Ge) the maximum repetition frequency of pulses is limited by the time of restoration of the electrical strength of the interelectrode space of the surface discharge and cannot exceed 100Hz (Z,4).

Завданням винаходу є розширення спектрального діапазону випромінювання, збільшення частоти повторення розрядних імпульсів лампи та покращення енергетичних характеристик в багатохвильовій « електророзрядній лампі видимого та ультрафіолетового спектральних діапазонів випромінювання за рахунок шщ с застосування розрядної системи на основі розряду через діелектрик та введення до складу суміші ще одної . компоненти, а саме газу азоту. «» Поставлена задача досягається таким чином, що багатохвильова електророзрядна лампа видимого та ультрафіолетового спектрального діапазону випромінювання, що містить систему електродів, об'єм з робочоюThe task of the invention is to expand the spectral range of radiation, increase the frequency of repetition of discharge pulses of the lamp and improve the energy characteristics of the multi-wave electric discharge lamp of the visible and ultraviolet spectral ranges of radiation due to the use of a discharge system based on the discharge through a dielectric and the introduction of another into the composition of the mixture. components, namely nitrogen gas. "" The task is achieved in such a way that a multi-wavelength electric discharge lamp of the visible and ultraviolet spectral range of radiation, containing a system of electrodes, a volume with a working

Сумішшю парів дийодиду та диброміду ртуті з буферним газом, основними робочими хвилями випромінюванняBy a mixture of vapors of diiodide and mercury dibromide with a buffer gas, the main operating waves of radiation

Ге») якої є випромінювання молекул монойодиду та моноброміду ртуті (На!) та (НоВг) на В-Х - переході, з максимумом випромінювання при довжинах хвиль (443, 444, 502, 504 )нм, в якій, згідно винаходу, робоча суміш де парів дийодиду ртуті та диброміду ртуті з буферним газом як добавку містить азот, а додатковими робочими -І хвилями є молекулярні смуги с максимумами випромінювання на довжинах хвиль З37нм, З57нм, З75нм і б654нм, - 50 які відповідають переходу С-В молекули азоту, а також атомарна лінія на довжині хвилі 546бнм, яка відповідає переходу 75381-бр3Р атома ртуті, а об'єм з робочою сумішшю обмежено кварцовою трубкою, яка зварена вGe"), which is the emission of mercury monoiodide and monobromide molecules (Na!) and (NoVg) at the B-X transition, with a maximum emission at wavelengths (443, 444, 502, 504) nm, in which, according to the invention, the working a mixture of vapors of mercury diiodide and mercury dibromide with a buffer gas as an additive contains nitrogen, and the additional working -I waves are molecular bands with emission maxima at wavelengths З37nm, З57nm, З75nm and б654nm, - 50 which correspond to the C-B transition of the nitrogen molecule, as well as the atomic line at a wavelength of 546 nm, which corresponds to the 75381-br3P transition of the mercury atom, and the volume with the working mixture is limited by a quartz tube, which is welded in

Т» торцях, а в системі електродів застосовано два коаксіальне розміщені електроди, причому один із них знаходиться всередині трубки.T" ends, and two coaxially placed electrodes are used in the electrode system, and one of them is inside the tube.

Перевагами запропонованої багатохвильової електророзрядної ексимерної лампи видимого та 22 ультрафіолетового спектрального діапазону над прототипом є одночасне випромінювання в видимому та в ультрафіолетовому спектральному діапазоні з довжинами хвиль 44Знм, 444нм, 502нм, 504нм, 546бнм, 6б54нм,The advantages of the proposed multi-wave electric discharge excimer lamp of the visible and 22 ultraviolet spectral ranges over the prototype are the simultaneous emission in the visible and ultraviolet spectral ranges with wavelengths of 44Znm, 444nm, 502nm, 504nm, 546bnm, 6b54nm,

З37нм, З57нм, 375нм, збільшення частоти слідування розрядних імпульсів, і використання розряду через діелектрик.З37nm, З57nm, 375nm, increasing the frequency of following discharge pulses, and using a discharge through a dielectric.

На фіг1 а, б наведена конструкція лампи в повздовжньому та поперечному розрізі. Багатохвильова 60 електророзрядна ексимерна лампа для видимого та ультрафіолетового спектрального діапазону складається з кварцової трубки 1 довжиною 200Омм, яка зварена в торцях. Зовнішній і внутрішній діаметри трубки складає ЗАамм ії ЗОмм, відповідно. Всередині її, по осі, розміщено електрод 2 круглого перерізу діаметром 4мм. Для вводу З використаний електрод ртутної лампи ДРТ-240, який вварений в торцеву поверхню трубки таким чином, щоб забезпечити контакт з електродом 2. На зовнішній поверхні трубки 1 закріплювалася сітка 4 з коефіцієнтом бо пропускання випромінювання 7295. Для відкачки і напуску газів у бокову поверхню кювети вварювався патрубок б із кварцового скла, всередині якого є капіляр діаметром близько їмм, який служить для зменшення виносу парів дигалогенідів ртуті із кювети в систему відкачки. Товщина розрядної області 5 і довжина горіння об'ємного розряду складають 1Змм і 200мм, відповідно. Випромінювання виводиться із газорозрядної кювети нормально до поверхні зовнішньої кварцової трубки.Figure 1 a, b shows the design of the lamp in a longitudinal and transverse section. The multi-wave 60 electric discharge excimer lamp for the visible and ultraviolet spectral range consists of a quartz tube 1 with a length of 200 Ohm, which is welded at the ends. The outer and inner diameters of the tube are ZAmm and ZOmm, respectively. Inside it, along the axis, there is an electrode 2 with a circular section with a diameter of 4 mm. For input C, the DRT-240 mercury lamp electrode was used, which was welded to the end surface of the tube in such a way as to ensure contact with electrode 2. On the outer surface of tube 1, a grid 4 with a radiation transmission coefficient of 7295 was fixed. For pumping out and injecting gases into the side surface into the cuvette, a pipe b made of quartz glass was welded, inside which there is a capillary with a diameter of about mm, which serves to reduce the removal of mercury dihalide vapors from the cuvette into the pumping system. The thickness of the discharge area 5 and the burning length of the bulk discharge are 1 mm and 200 mm, respectively. The radiation is emitted from the gas discharge cuvette normally to the surface of the outer quartz tube.

На фіг2 наведено спектр випромінювання багатохвильової електророзрядної лампи видимого та ультрафіолетового спектрального діапазону випромінювання при довжинах хвиль 44Знм, 444нм, 502нм, 504нм, 546бнм, 654нм, З37нм, З57нм, З75нм.Figure 2 shows the radiation spectrum of a multi-wavelength electric discharge lamp in the visible and ultraviolet spectral range of radiation at wavelengths of 44 nm, 444 nm, 502 nm, 504 nm, 546 nm, 654 nm, 37 nm, 357 nm, 375 nm.

Багатохвильова електророзрядна лампа видимого та ультрафіолетового спектрального діапазону випромінювання працює наступним чином: у попередньо відкачану через капіляр б до тиску 10 "Па розрядну 70 трубку 1, в якій містився порошок дийодиду та діброміду ртуті, в кількості по бОмг кожного, напускали молекулярний азот до парціального тиску 1-10кПа та гелій до парціального тиску 100-200кПа. При збудженні робочої суміші в розрядній області 5 бар'єрним розрядом імпульсна напруга величиною ЗОКВ, при частоті слідування імпульсів накачки 5кГц, прикладалася між електродом 2 і сіткою 4, висока напруга подавалась на внутрішній електрод 2 через ввід 3, а сітка 4 була заземлена.A multi-wave electric discharge lamp in the visible and ultraviolet spectral range of radiation works as follows: molecular nitrogen was injected into a 70 discharge tube 1 previously pumped through capillary b to a pressure of 10 "Pa, which contained mercury diiodide and mercury dibromide powder, in the amount of bOmg each, to partial pressure 1-10 kPa and helium to a partial pressure of 100-200 kPa. When the working mixture was excited in the discharge area 5 by a barrier discharge, a pulse voltage of the magnitude of ZOKV, with a follow-up frequency of the pump pulses of 5 kHz, was applied between electrode 2 and grid 4, a high voltage was applied to the inner electrode 2 through input 3, and grid 4 was grounded.

В плазмі на основі суміші Наіо/НаІ»/Мо/Не відбувається дисоціативне збудження дийодиду і диброміду ртуті електронами розряду, в результаті реакції: На! оже-? На(В)ніне утворюються ексимерні молекули Наї", які спонтанно переходять в основний Х стан з випромінюванням системи смуг з максимумом при довжинах хвиль 7, рівній 443, 444 нм; в результаті реакції НоВгоже-? НоВ(В)-Вгне утворюються ексимерні молекули НоВг'", які спонтанно переходять в основний Х стан з випромінюванням системи смуг з максимумом при довжині хвилі 7, рівній 502-504нм. Також відбувається дисоціативне збудження атомів ртуті (На) і спостерігається випромінювання на довжині хвилі 7, рівній 546бнм, (перехід 75351-брЗР ) за рахунок дисоціації електронами розряду молекул монойодиду та моноброміду ртуті. Окрім того в плазмі цієї ж суміші відбувається збудження С - стану молекули азоту електронами розряду та спостерігається випромінювання спектральних смуг з максимумом на довжинах хвиль Х-337нм, Х-357нм, Х-375нм и Х-б54нм, які відповідають переходу С-В. Робочою поверхнею лампи служить та частина бічної поверхні розрядної трубки, яка покрита сіткою. «Dissociative excitation of mercury diiodide and mercury dibromide by discharge electrons occurs in the plasma based on the Naio/NaI»/Mo/He mixture, as a result of the reaction: Na! what? Excimer Nai molecules are formed on Na(B)nine, which spontaneously transition to the ground X state with the emission of a system of bands with a maximum at wavelengths 7, equal to 443, 444 nm; as a result of the reaction NoBgozhe-?NoB(B)-Nine, excimer molecules are formed NoVg'", which spontaneously transition to the basic X state with the emission of a system of bands with a maximum at wavelength 7, equal to 502-504nm. Dissociative excitation of mercury atoms (Na) also occurs and radiation at wavelength 7 equal to 546 nm (transition 75351-brZR) is observed due to the dissociation of discharge electrons of mercury monoiodide and monobromide molecules. In addition, in the plasma of the same mixture, the C state of the nitrogen molecule is excited by discharge electrons and the emission of spectral bands with a maximum at the wavelengths of X-337nm, X-357nm, X-375nm and X-b54nm is observed, which correspond to the C-B transition. The working surface of the lamp is that part of the side surface of the discharge tube that is covered with a grid. "

Збільшення тиску гелію до 180кПа для суміші На| 2/НаІ2/Мо/Не приводить до зростання середньої потужності випромінювання на 8095 порівняно із значенням при тиску гелію рівному 120кПа.An increase in helium pressure to 180 kPa for the mixture Na| 2/NaI2/Mo/He leads to an increase in the average radiation power by 8095 compared to the value at a helium pressure equal to 120 kPa.

Середня потужність випромінювання з усієї бічної поверхні лампи становить 45Вт при значенні коефіцієнта « корисної дії по відношенню до вкладеної потужності 2595, при частоті слідування імпульсів накачки 5000ГцЦ, імпульсній напрузі ЗОКВ, парціальному тиску гелію 180кПа, довжині трубки 200мм, діаметром З4мм. -The average power of radiation from the entire side surface of the lamp is 45W with a value of the coefficient of "useful action in relation to the invested power of 2595, with a follow-up frequency of the pump pulses of 5000 Hz, a pulse voltage of ЗОКВ, a partial pressure of helium of 180 kPa, a tube length of 200 mm, a diameter of З4 mm. -

Ефективність винаходу визначається тим, що порівняно з прототипом розширено спектральний діапазон М випромінювання, підвищена частота повторення імпульсів випромінювання в 5000 разів (від 0.1Гц до 5000Гц), підвищена середня потужність випромінювання в 4500 разів, підвищено коефіцієнт корисної дії в 25 разів. Вона с може бути підвищена при збільшенні частоти повторення імпульсів накачки і напруги на електродах ексимерної с лампи.The effectiveness of the invention is determined by the fact that, compared to the prototype, the spectral range M of radiation has been expanded, the repetition frequency of radiation pulses has increased by 5000 times (from 0.1Hz to 5000Hz), the average radiation power has increased by 4500 times, and the efficiency has increased by 25 times. It c can be increased by increasing the frequency of repetition of pump pulses and the voltage on the electrodes of the excimer c lamp.

Винахід може бути використаний для практичного використання у біотехнології, агрофізиці, для більш ефективного управління фотосинтезом, ростом, розвитком рослин і водоростей, при проведенні наукових досліджень з квантової електроніки, для накачки твердотільних і рідинних лазерів та в медицині. « 20 Джерела інформації: -о с 1. Бажулин С.П., Басов Н.Г., Зуев В.С., Леонов Ю.С., Стойлов Ю.Ю. Генерация на Х-502нм при длительной световой накачке паров НоВг» // Квантовая злектроника. 1978. Т.5, Мо3. С.684-686. :з» 2. Гаврилова Ю. Е., Зродников В. С., Клементов А.Д., Пососонньій А.С. Зксимерньй На!" - лазер, возбуждаемьй злектрическим розрядом // Квантовая злектроника. 1980. Т.7, Мо11. С.2495-2497.The invention can be used for practical use in biotechnology, agrophysics, for more effective control of photosynthesis, growth, development of plants and algae, in conducting scientific research on quantum electronics, for pumping solid-state and liquid lasers, and in medicine. « 20 Sources of information: -o p 1. Bazhulin S.P., Basov N.G., Zuev V.S., Leonov Yu.S., Stoilov Yu.Yu. Generation at X-502nm during long-term light pumping of NoHg vapors" // Quantum electronics. 1978. T.5, Mo3. P.684-686. :z» 2. Yu.E. Gavrilova, V.S. Zrodnikov, A.D. Klementov, A.S. Pososonnyi. Zximernyi Na!" - a laser excited by an electric discharge // Quantum Electronics. 1980. Vol. 7, Mo11. P. 2495-2497.

З. Бажулин С.П., Бугримов С.Н., Камруков А.С., Кашников Г.Н., Козлов Н.П., Овчинников П.А., Опекан А.Г.,Z. Bazhulin S.P., Bugrymov S.N., Kamrukov A.S., Kashnikov G.N., Kozlov N.P., Ovchinnikov P.A., Opekan A.G.,

Ф Орлов В.К., Протасов Ю.С. Сине-зеленье лазерь! на парах галогенидов ртути с широкополосньім оптическим возбуждением // Тезись! докладов ХІЇ Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике. 1985. 4.2. іме) С.713-714 (прототип). -1 4. Бажулин С.П., Басов Н.Г., Бугримов С.Н., Зуев В.С. Камруков А.С., Кашников Г.Н., Козлов Н.П,., 20 Овчинников П.А., Опекай А.Г., Протасов Ю.С. Трехцветньій молекулярньіїй лазер видимого диапазона на парах і ртути с широкополосной оптической накачкой // Квантовая злектоника. 1986. Т.13, Мо7. С.1515-1517(прототип). с»Orlov V.K., Protasov Yu.S. Blue-green laser! on vapors of mercury halides with broadband optical excitation // Tezys! reports of the KhII All-Union Conference on Coherent and Nonlinear Optics. 1985. 4.2. name) P.713-714 (prototype). -1 4. Bazhulin S.P., Basov N.G., Bugrymov S.N., Zuev V.S. Kamrukov A.S., Kashnikov G.N., Kozlov N.P,., 20 Ovchinnikov P.A., Opekai A.G., Protasov Yu.S. Three-color molecular laser of the visible range on vapor and mercury with wide-band optical pumping // Kvantovaya Zlektonika. 1986. T.13, Mo7. P.1515-1517 (prototype). with"

Claims

The formula of the invention, etc

A multi-wave electric discharge lamp of the visible and ultraviolet spectral range of radiation, containing a system of electrodes, a volume with a working mixture of mercury diiodide and mercury dibromide vapors with a buffer gas, the main working radiation waves of which are the radiation of mercury monoiodide and monobromide molecules (Nai) and (NoVg ) at the B-X transition, with a maximum emission at wavelengths of 443 nm,

at 444 nm, 502 nm and 504 nm, which differs in that the working mixture of mercury diiodide and mercury dibromide vapors with a buffer gas as an additive contains nitrogen, and additional working waves are molecular bands with emission maxima at wavelengths of 337 nm, 357 nm, 375 nm and 654 nm, which correspond to the C-B transition of the nitrogen molecule, as well as the atomic line at a wavelength of 546 nm, which corresponds to the 75 z8.-brirP transition of the mercury atom, and the volume with the working mixture is limited by a quartz tube, which is welded in ends, and in the system of electrodes

65, two coaxially placed electrodes are used, and one of them is inside the tube, and the other is on the outer surface of the tube.