Материал: Разработка метода эффективной передачи электрической энергии от источника питания к излучателю через длинную линию

При увеличении длительности импульса напряжения, а также его фронта и спада, размеры диффузных микроразрядов, заполняющих колбу эксилампы, уменьшаются и частично или полностью преобразуются в нити (филаменты). Это ведет к падению эффективности и средней мощности излучения. При сокращении длительности импульса напряжения и его фронта увеличивается пробойное напряжение и возбуждение эксимерных или эксиплексных молекул происходит при высоких значениях параметра Е/р, превышающих оптимальные. Это также снижает эффективность излучения эксиламп БР. С другой стороны следует отметить, что при увеличении Е/ри сохранении энергии возбуждения в импульсе улучшается однородность разряда, и в этих условиях можно увеличивать мощность излучения в импульсе и сокращать его длительность.

Для возбуждения излучения в эксилампах с одним барьером (рис.1(б)) более выгодно использовать генераторы, формирующие однополярные импульсы. В этом случае на внутренний металлический электрод следует подавать импульсы напряжения отрицательной полярности. Это приводит к формированию диффузных микроразрядов при повышенных давлениях[11].

.3 Рабочие среды и спектры излучения эксиламп барьерного разряда

В эксилампах используются рабочие среды, состоящие из инертных газов или их смесей с галогенами. Особенностью данных сред является характер релаксации энергии по электронным состояниям эксимерных или эксиплексныхмолекул, образуемых в среде в процессе ее возбуждения, и относительно большая энергия фотона, излучаемого при переходе молекулы в основное состояние [10].

Наличие ионизованных и возбужденных состояний, связанных между собой многочисленными пересечениями кривых потенциальной энергии, приводит к тому, что в процессе релаксации среды последовательно безызлучательно заселяются состояния с верхних возбужденных к нижним состояниям[8].

Рис. 4. Нижние термы молекулы, состоящей из атома инертного газа и атома галогена, и интенсивные излучательные переходы между ними [10].

Дальнейший переход с нижних возбужденных состояний для эксиплексных молекул (B, C, D, рис.3) к основному (разлётное A и слабосвязанное или разлётное X состояния) осуществляется за счет излучения, при этом энергетический зазор между нижним возбужденным и основным состояниями молекулы весьма большой. Этим объясняются, во-первых, высокая эффективность преобразования энергии, вводимой в среду, в излучение; во-вторых, наличие в эмиссионном спектре лишь указанной группы переходов, относящихся к УФ или ВУФ диапазонам. При этом наиболее интенсивным является B-X переход.

В спектре могут присутствовать более слабые полосы D-X, B-A, C-A переходов, а также полосы молекул галогенов (Табл. 1 и 2).

Таблица 1.

Длины волн основных переходов эксиплексных молекул [31].

Таблица 2

Длины волн переходов эксимерных молекул и гомоядерных молекул галогенов[21].

Образование эксимерных и эксиплексных молекул в рабочей среде происходит по разным каналам [10]. Эксимерные молекулы возникают в реакции ассоциации:

(3)

где R*, R - атомы инертного газа в возбужденном и основном состоянии соответственно.

Скорость реакции (1) пропорциональна квадрату концентрации атомов в основном состоянии. Этим объясняется сильная зависимость интенсивности и вида спектра излучения инертного газа от давления. На рис.5 показаны изменения спектра излучения ксенона при различных давлениях, возбуждаемого барьерным разрядом[8]. Резонансная линия доминирует при низком давлении.

Рис.5. Изменение спектра излучения ксенона при различных давлениях, возбуждаемого барьерным разрядом. 1 - 37 Торр, 2 - 52 Торр, 3 - 75 Торр, 4 - 510 Торр.

При увеличении давления в спектре наблюдаются две широкие полосы,условно называемые "первым" и "вторым" континуумами. К первому относят переходы с высоко лежащих колебательных уровней. Данный континуум прилегает к длинноволновой стороне резонансной линии. Второй континуум формируется переходами из нижних колебательных уровней возбужденного состояния и, соответственно, располагается на большем удалении от резонансной линии, в длинноволновую область. При давлении 100 Тор и более в спектре доминирует излучение второго континуума[8].

Эксиплексные молекулы формируются за счет так называемых "гарпунных" реакций (2) с участием возбужденного атома инертного газа и галогеносодержащей молекулы, или в процессе ионионной рекомбинации положительного атомарного или молекулярного иона инертного газа (R+, R2+) с отрицательным ионом галогена Y−(3)[8]:

(4)

(5)

где TY, Y2 - галогеносодержащие молекулы, Y - атом галогена, M - третья частица, уносящая избыток энергии. В качестве частицы M могут выступать атомы рабочего или "буферного" инертного газа

Наиболее эффективными оптическими средами являются ксенон (эффективность излучения η молекул Xe2* до 60%, длина волны λ = 172 нм; смеси Kr-Cl2, Xe-Cl2 (молекулы KrCl*, λ ~ 222 нм, XeCl*, λ ~ 308 нм, η ~ 25 %); Xe-Br2 (XeBr*, λ ~ 282 нм, η ~ 15 %); Xe - I2 (XeI*, λ ~ 253 нм, η ~ 20 %). Здесь длина волны указана для максимума излучения В-Х перехода. Излучение на этих длинах волн хорошо пропускается кварцем, в том числе и на λ = 172 нм (кварц типа GE 021SUPER), что позволяет создавать отпаянные излучатели с большим сроком службы и обеспечивает их широкое применение[8].

Рис6-9. Спектры излучения эксиплексных молекул KrCl*, XeCl*, XeBr*, XeI* (длина волны в нм).

Спектры излучения эксиплексных молекул KrCl*, XeCl*, XeBr*, XeI* изображены на рис. 6 и 7[8]. Видно, что вклад излучательногоперехода В-Х (второй континуум) в оптимальных условиях составляет основную долю (70-85%) всей энергии излучения эксимерных молекул.

Спектры излучения совокупности эксиплексных молекул при определенных условиях могут состоять из нескольких полос соответствующих молекул одновременно. Кроме того, в этих спектрах присутствуют не только континуумы эксиплексных молекул, но и атомарные линии.В условиях барьерного разряда низкого давления XeI2 смеси (менее 100 mbar) был получен спектр, состоящий из ярко выраженных линий I*(λ= 183 нм, λ = 206 нм) и молекулярных полос KrI*(переход B-X: λ = 191 нм, переход B-A: λ = 225 нм) и I2*(λ = 342 нм).

Авторы [12] исследовали поперечный объёмный разряд в смеси газовAr:Kr:Xe:Cl2 при давлении 2-30 кПа. Было показано, что данный разряд является многоволновым источником УФ и ВУФ излучения с максимумами примерно равной интенсивности излучения на λ=175, 222, 236, 258 и 308 нм на переходах ArCl*(B-X), KrCl*(D-X), XeCl*(D-X), Cl2*(D'-A') и XeCl*(B-X) соответственно.

Спектр излучения, наряду с ресурсом и энергетическими параметрами является одной из основных характеристик эксилампы, как источника оптического излучения. Особенностью эксиламп является наличие в эмиссионном спектре лишь отдельных узких полос соответствующих молекул в УФ или ВУФ области длин волн. С помощью барьерного разряда могут быть одновременно получены линии и полосы излучения нескольких атомов и молекул.

.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 (GeneralElectronix) 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 облучающихмодулей BD_EL (barrier discharge, extra large) (а)и BD_7EL (б). 1 -корпус, 2 -излучатель, 3 -система воздушного охлаждения, 4 -таймер, 5 - фиксаторы колбы.

.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 Сl2в смеси наблюдается все более однородный объемный разряд, однако мощность излучения при этом снижается. Повышение давления или содержания Сl2в 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 идвуполярных 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].