1.4. Конструкции облучающих модулей на основе эксиламп барьерного разряда

Конструкции облучающих модулей на осно­ве эксиламп барьерного разряда многообразны. Приведем пример конструкций мощных облучающих модулей на основе эксиламп, разработанных в ИСЭ СО РАН (рис.1.9). Источник питания, излучатель и система его охлаждения помещены в одном корпусе. Такая компоновка позволяет отказаться от использования сложного водяного охлаждения, применяемого для возбуждения мощных эксиламп, и заменить его на простое воздушное охлаждение[11].

Колба модуля BD_EL имеет коаксиальную конструкцию (рис. 1.1(в)) и выполнена из трубок кварца марки GE214 (General Electronix) с диаметрами 65 и 40 мм, общей длиной 820 мм. На внутренней стенке колбы размещен высоковольтный электрод-отражатель из фольги, а на внешней поверхности колбы расположен заземленный спиральный электрод с пропусканием не менее 80% . Излучение выводится через фланец, имеющий размеры 85x10 см. Отпаянная колба является сменной. Она может быть заполнена различными смесями газов и обеспечивать работу на рабочих молекулах I₂*, (342 нм), Br₂* (289 нм), Cl₂*, (259 нм), KrBr* (207 нм), KrCl* (222 нм), KrI* (190 нм), XeBr* (283 нм), XeCl* (308 нм), XeI* (253 нм)[11].

Масштабируя описанный модуль, был создан модуль BD_7EL (рис.1.9(б)), который содержит семь коаксиальных ламп, помещенных в кожух и снабженных воздушным охлаждением и отражателем. Излучение выводится через фланец, имеющий размеры 20x20 см. Например, подобный модуль с выходным окном 30x30 см на рабочей молекуле Xe₂*, обеспечивает энергетическую светимость до 100 мВт/см², а эффективность устройства в целом составляет 5%[11].

Рис.10. Конструкции облучающих модулей BD_EL (barrier discharge, extra large) (а) и BD_7EL (б). 1 - корпус, 2 - излучатель, 3 - система воздушного охлаждения, 4 - таймер, 5 - фиксаторы колбы.

1.5. Влияние формы импульса возбуждения

В качестве источника возбуждения для эксиламп барьерного разряда традиционно используются генераторы с синусоидальной формой импульса напряжения. При этом характерные значения эффективности преобразования вводимой в рабочую среду мощности в оптическое излучение достигают 10-15 % [20, 29]. В работе [20] отмечалось преимущество использования синусоидальной формы импульса напряжения по сравнению с коротким высоковольтным импульсом длительностью 50-100 нс для возбуждения Хе₂-, Kr₂-, KrCl- и ХеСl- эксиламп барьерным разрядом. Основной причиной низкой эффективности в случае применения для возбуждения коротких высоковольтных импульсов напряжения, формируемых в генераторе на основе тиратрона ТГИ 10000/25, является, во-первых, снижение доли энергии, вкладываемой в газоразрядную плазму, относительно запасаемой в накопителе. Во-вторых, при этом имеют место существенные перенапряжения на газоразрядном промежутке, что приводит к неоптимальным с точки зрения формирования эксиплексных молекул значениям приведенной напряженности электрического поля Е/р в газоразрядной плазме. Наряду с этим в работах [26,30] было продемонстрировано увеличение эффек­тивности барьерной Хе₂-эксилампы при короткоимпульсном (длительность фронта импульса напряжения ~ 250 -750 нс) возбуждении по сравнению с импульсами возбуждения синусоидальной формы. По мнению авторов [30], наблюдаемый рост эффективности обусловлен формированием оптимальной функции распределения электронов по энергии и минимизацией упругих и неупругих потерь энергии электронов в процессах, не приводящих к образованию эксимерных молекул Хе₂. В работе [28] отмечается, что для повышения эффективности Хе₂-эксилампы необходимо формировать однородный (диффузный) разряд с существенно меньшей плотностью электронов по сравнению с плотностью электронов, характерной для филаментов. Однородность разряда при этом обеспечивается вследствие крутого фронта импульса напряжения[8].

Поскольку образование эксиплексных и эксимерных молекул происходит по-разному, есть основания предположить, что и условия, соответствующие получению максимальной эффективности, например, Хе2- и КгСl-эксиламп могут отличаться[8].

Для проверки влияния формы импульса возбуждения на параметры эксилампы использовались два генератора, один из которых обеспечивал получение напряжения синусоидальной формы с частотой 17 кГц, а второй — одно- или двуполярных импульсов напряжения с длительностью по основанию 2 мкс, длительностью переднего и заднего фронтов ~ 250 нс или ~ 1 мкс при частоте следования импульсов 10- 100 кГц. В экспериментах предварительно была осуществлена оптимизация давления и состава смеси, состоявшей из Кг и Сl₂. Лучшие результаты были получены для смеси Кг/Сl₂ = 200/(1 — 0,5) при полном давлении ~ 200 торр. С уменьшением полного давления или содержания Сl₂ в смеси наблюдается все более однородный объемный разряд, однако мощность излучения при этом снижается. Повышение давления или содержания Сl₂ в смеси приводит к контрагированию разряда, вследствие чего также уменьшается мощность излучения[8].

Зависимости эффективности работы лампы и удельной мощности излучения от удельной мощности возбуждения для оптимальной рабочей смеси при синусоидальной форме импульсов возбуждения приведены на рис. 11. Абсолютные значения эффективности и тенденция ее зависимости от мощности возбуждения хорошо совпадают с результатами, полученными в работе [29]. Визуально при функционировании лампы наблюдается достаточно однородный разряд с диффузными филаментами. На рис.12 представлены соответствующие условиям рис. 11 осциллограммы импульсов тока, напряжения на электродах лампы, импульс излучения на В-Х переходе молекулы KrCl*, расчетные кривые мощности возбуждения и падения напряжения на газоразрядном промежутке. Видно, что излучение имеет место в течение большей части активной фазы разряда (после резкого уменьшения напряжения на разрядном промежутке). Следует также отметить модуляцию интенсивности излучения, наличие задержки (~ 2 – 2,5 мкс) импульса излучения относительно начала импульса возбуждения и корреляцию мощности излучения и возбуждения в последующие моменты времени. Характерно относительное постоянство падения напряжения на газоразрядной плазме[8].

Рис.11. Зависимости эффективности работы барьерной эксилампы и удельной мощности излучения от удельной мощности возбуждения при синусоидальной форме импульсов возбуждения

Рис.12. Осциллограммы импульсов мощности излучения (а)б тока (в)б напряжения на электродах барьерной лампы (г,кривая 1), расчетные кривые удельной мощности возбуждения (б) и падения напряжения на газорязрядном промежутке(г, кривая 2) при минусоидальной форме импульсов возбуждения.

При использовании одно- и двуполярных импульсов возбуждения длительностью по основанию 2 мкс при частотах повторения 17, 33, 60, 93 кГц визуально наблюдается более неоднородное горение разряда с явно выраженными по интенсивности свечения филаментами. На рис.13 представлены зависимости эффективности и удельной мощности излучения от удельной мощности возбуждения для случая однополярных импульсов возбуждения при частоте 93 кГц. Для других частот следования и двуполярных импульсов возбуждения результаты близки к приведенным на рис. 13. Необходимо отметить, что удельные характеристики определялись с учетом всего разрядного объема, хотя очевидно, что при наличии явно выраженных филаментов как возбуждение, так и излучение резко неоднородны по объему. Поэтому указанные выше характеристики при наличии филаментов следует рассматривать как средние по разрядному объему. Сравнение рис. 11 и рис. 13 позволяет заключить, что, во-первых, при увеличении вводимой мощности в обоих случаях наблюдается уменьшение эффективности, что можно связать с перевозбуждением и нагревом среды. Во-вторых, при возбуждении короткими импульсами имеет место некоторое преимущество (на ~ 20 % для одинаковых величин удельной мощности возбуждения)[8].

Рис.13 Зависимости эффективности работы барьерной эксилампы и удельной мощности излучения от удельной мощности возбуждения при частоте 93 кГц и однополярной форме импульсов возбуждения