Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения или озона

Изобретение относится к области микроэлектроники и лазерной техники и представляет собой газоразрядный источник ультрафиолетового излучения или озона, выполненный в виде заполненной рабочей средой газовой камеры с диэлектрическими стенками. Внутри газовой камеры расположены электроды, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения. Электроды выполнены в виде двух гибких проводников круглого сечения, намотанных в виде катушки с нулевым зазором на каркас. По крайней мере один из электродов заключен в диэлектрическую оболочку. Зазор между стенками газовой камеры и наружной поверхностью катушки порядка 1 мм. С одной стороны катушки концы проводников изолированы, а с другой подключены к высоковольтному источнику напряжения и представляют собой распределенную емкостную нагрузку в цепи переменного тока. Газовая камера в качестве рабочей среды может быть заполнена инертным газом или смесью инертного газа с галогенами или парами металлов при работе в режиме генерации УФ-излучения, при этом стенки газовой камеры выполнены из оптического прозрачного материала. В режиме генерации видимого света стенки камеры покрыты с внутренней стороны фотолюминофором заданной цветности. В режиме электросинтеза озона газовая камера заполнена кислородосодержащей смесью газов. Изобретение может найти самое широкое применение во многих фотохимических технологиях в микроэлектронике, медицине и экологии, а также при создании цветных дисплеев и крупномасштабных экранов коллективного пользования в информационной технике. 1 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и лазерной техники. Для научных и технологических целей необходимы источники ультрафиолетового (УФ) излучения и озона. В настоящее время интенсивно развиваются УФ и УФ/озонные технологии в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем, в квантовой электронике при возбуждении лазерных сред, в нефтехимии, при подготовке питьевой воды, при создании бактерицидных установок и т.д.

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 и λ=185 нм в соотношении примерно 10:1. При использовании кварцевой оболочки такие лампы нашли широкое применение в качестве малоинтенсивных источников ультрафиолетового излучения. Та же лампа применяется в качестве люминесцентной лампы дневного света при использовании оболочки из стекла с нанесенным на внутреннюю поверхность фотолюминофором заданной цветности. Основной недостаток таких ламп для использования в фотохимических 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 газоразрядный источник ультрафиолетового излучения и озона, представляющий собой устройство на основе барьерного разряда [2]. Такой источник ультрафиолетового излучения и озона представляет собой заполненную рабочей средой газовую камеру с диэлектрическими стенками, в которой расположены подключенные к высоковольтному источнику питания два электрода, причем, по крайней мере, один из них покрыт диэлектриком. Диэлектрический слой необходим для рассредоточения разряда по всей площади электродов. При подаче высоковольтных импульсов в межэлектродном промежутке с оптимальным зазором порядка 1-2 мм возникает дискретная во времени и пространстве структура микроразрядов.

В межэлектродном зазоре с любой площадью электродов возникает строго ограниченное число мерцающих микроразрядов порядка 10-30, которые хаотично возникают в межэлектродном пространстве. Число микроразрядов определяет интенсивность УФ-излучения (разряд в инертных газах) или концентрацию озона (разряд в кислородосодержащих газах) и в известной конструкции ограничивает интенсивность УФ-излучения (инертные газы) или концентрацию озона (кислородосодержащие газовые среды).

Предлагаемое изобретение позволяет повысить интенсивность УФ-излучения за счет повышения однородности ультрафиолетового излучения и увеличения выхода озона.

Предлагаемый газоразрядный источник ультрафиолетового излучения или озона содержит заполненную рабочей средой газовую камеру с диэлектрическими стенками, с расположенными в ней, подключенными к высоковольтному источнику переменного тока двумя электродами, выполненными в виде двух гибких проводников круглого сечения, по крайней мере, один из которых заключен в диэлектрическую оболочку. Электроды намотаны в виде катушки с нулевым зазором на каркас, расположенный внутри газовой камеры с зазором между стенками газовой камеры и наружной поверхностью катушки порядка 1 мм, при этом с одной стороны катушки концы проводников изолированы, а с другой подключены к высоковольтному источнику переменного тока.

При работе газоразрядного источника в режиме ультрафиолетового излучения газовая камера заполняется инертным газом или смесью инертного газа с галогенами или парами металлов в качестве рабочей газовой среды, а стенки газовой камеры выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала.

При работе газоразрядного источника в режиме генерации цветного оптического излучения газовая камера заполняется инертным газом или смесью инертного газа с галогенами или парами металлов в качестве рабочей среды, стенки газовой камеры выполнены из оптического стекла и покрыты с внутренней стороны фотолюминофором заданной цветности.

При работе газоразрядного источника в режиме электросинтеза озона газовая камера заполнена кислородосодержащей смесью газов в качестве рабочей среды.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично изображена конструкция газоразрядного источника ультрафиолетового излучения в режиме генерации цветного оптического излучения (в режиме работы люминесцентной лампы).

Газоразрядный источник состоит из газовой камеры 1 и двух гибких электродов 2 и 3 в виде проводников круглого сечения в диэлектрической оболочке, намотанных на каркас 4 цилиндрической или прямоугольной формы. При необходимости форма каркаса может быть любой. Намотка осуществляется двумя проводниками, образуя катушку. Между расположенными рядом витками электродов образуются разрядные промежутки. С одной стороны катушки торцы электродов 2 и 3 изолированы, концы электродов 2 и 3 с противоположной стороны катушки подключены к высоковольтному источнику 5 переменного тока. При работе газоразрядного источника в режиме люминесцентной лампы на стенки газовой камеры нанесен слой фотолюминофора 6 заданной цветности с защитным покрытием 7, прозрачным для ультрафиолетового излучения. Газовая камера снабжена системой протока рабочей среды в виде газовой смеси, включающей канал 8 для впуска газовой смеси и каналы 9 для протекания газовой смеси внутри газовой камеры. Газоразрядный источник может работать и в отпаянном режиме с рабочей средой внутри газовой камеры.

Газоразрядный источник работает следующим образом.

Газовая камера 1 газоразрядного источника заполнена рабочей средой в виде смеси газов при оптимальном давлении порядка 1 атм. Образованная витками электродов структура представляет собой емкостную нагрузку. При подаче напряжения от высоковольтного источника переменного тока 5 на электроды 2 и 3 возбуждается барьерный разряд между расположенными рядом витками электродов. Благодаря этому образуется слой короткоживущих и периодически возникающих по мере нарастания импульса напряжения микрошнуров плазмы со временем жизни порядка 10 нс. Предлагаемое изобретение позволяет резко повысить число и концентрацию микроразрядов.

Газовая камера 1 заполнена рабочей средой в отпаянном режиме или может быть выполнена проточной с заданным массовым расходом. В зависимости от материала стенок газовой камеры газоразрядный источник может быть источником УФ-излучения или цветного оптического излучения при нанесении фотолюминофоров на внутреннюю поверхность газовой камеры. 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.) или могут быть выполнены с оптическим окном для вывода УФ-излучения. В режиме генерации цветного видимого света 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 1 может заполняться лазерной или плазмохимической смесью газов при заданном давлении. Электроды 2 и 3 могут представлять собой стандартные провода, покрытые слоем фторопласта, с оптимальным диаметром порядка 1 мм. Таким образом, в зависимости от выбора рабочей смеси газов и выбора материала газоразрядной камеры источник может работать в различных режимах.

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 соответствии с описанием изобретения были изготовлены и испытаны в различных режимах газоразрядные источники УФ-излучения или озона.

Газоразрядный источник УФ представлял собой цилиндрическую газовую камеру из оптического стекла или кварца диаметром 2 см в форме пробирки с организацией протока газа при использовании двух штуцеров, установленных на торце пробирки и на боковой поверхности. Камера подключалась к источнику газовой среды. Электроды подключались к высоковольтному источнику переменного тока с напряжением 3-10 кВ и частотой следования импульсов до 5 кГц.

В режиме генерации УФ-излучения получено излучение эксимера Хе₂* с длиной волны 172 нм. Мощность и длительность импульса ультрафиолетового излучения определялись с помощью ФЭУ-142, предварительно прокалиброванного с помощью водородной лампы ДВС-25 с известным спектром и ленточной вольфрамовой лампы. Для регистрации спектров излучения в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) использовался 0.2-метровый вакуумный монохроматор McPherson Model 234 с решеткой 600 штр/мм.

В режиме электросинтеза озона реализован источник озоно-кислородной среды с высоким содержанием озона порядка 8%, что говорит о высокой концентрации и однородности возникновения микрошнуров плазмы в процессе горения барьерного разряда.

Таким образом, предлагаемый газоразрядный источник УФ-излучения, света (цветного) или озона на основе барьерного разряда с новой структурой электродов в плотной смеси газов излучает некогерентное эксимерное излучение, например, 172, 248, 308 нм или широкополосное ультрафиолетовое излучение 100-300 нм в зависимости от выбора рабочей смеси газов.

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 технологиях в микроэлектронике, медицине и экологии, а также при создании цветных дисплеев и крупномасштабных экранов коллективного пользования в информационной технике.

Источники информации

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

2. В.Eliasson, U.Kogelschatz. UV Eximer radiation from dielectric-barrier discharges. Appl. Phys. B.46, 1988, p.299-303 - прототип.

Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения или озона, содержащий заполненную рабочей средой газовую камеру с диэлектрическими стенками, с расположенными в ней подключенными к высоковольтному источнику питания двумя электродами, по крайней мере, один из которых покрыт диэлектриком, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде двух гибких проводников круглого сечения, хотя бы один из которых заключен в диэлектрическую оболочку, намотанных в виде катушки с нулевым зазором на каркас, расположенный внутри газовой камеры с зазором между стенками газовой камеры и наружной поверхностью катушки порядка 1 мм, при этом с одной стороны катушки концы электродов изолированы, а с другой подключены к высоковольтному источнику переменного тока.