Способ получения импульсного ультрафиолетового излучения

Изобретение относится к способу получения импульсного ультрафиолетового (УФ) излучения на базе трубчатых импульсных ламп с наполнением инертными газами. Техническим результатом является повышение КПД и энергии УФ-излучения трубчатых импульсных ламп, наполненных инертными газами, при одновременном повышении их ресурса. Для этого способ включает наполнение инертными газами трубчатой импульсной лампы и подаче импульса предыонизации перед подачей основного импульса. При подаче импульса предыонизации выбирают длительность и ток импульса предыонизации, обеспечивающие в объеме лампы плазму с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3. Импульс основного разряда с длительностью менее 10 микросекунд подают в момент максимума тока импульса предыонизации. Кроме того, подачу импульса предыонизации осуществляют с длительностью, превышающей более чем в 10 раз длительность основного импульса, и током импульса предыонизации, более чем в 10 раз меньшим тока основного разряда. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к способу получения импульсного ультрафиолетового (УФ) излучения на базе трубчатых импульсных ламп с наполнением инертными газами и может быть использовано в лазерах, в устройствах для обеззараживания и очистки воды, для разложения метанола и других устройствах, где необходим мощный импульс УФ-излучения с короткой длительностью вспышки.

Уровень техники

Известен способ получения импульсного УФ-излучения, основанный на создании импульсного разряда в инертных газах с длительностью в несколько микросекунд, ограниченного стенками кварцевых трубок. В основном, для любых практических применений необходимо создание стационарного и равновесного разряда. При развитии разряда из-за наличия в нем различных конкурирующих физических процессов достижение состояния полного термодинамического равновесия в излучающем разряде, обеспечивающего его однородность, никогда не может быть реализовано [1].

Долговечность трубчатых ламп в стробоскопическом режиме работы увеличивается примерно в 5 раз с применением схемы зажигания ламп с «дежурной дугой» [2]. «Дежурный» дуговой разряд относительно малой мощности (напряжение менее 1 кВ, ток менее 1А) меняет начальную схему развития импульсного разряда с длительностью несколько микросекунд. При этом длительность импульса, пиковые значения тока и мощности не меняются [1], но КПД и энергия УФ-излучения не возрастают.

В этих же работах показано, что к повышению КПД и энергии УФ-излучения трубчатых ламп приводит как повышение средней за время разряда удельной электрической мощности (энергии разряда) в диапазоне 2-5 МВт/см³, так и повышение давления ксенона в лампе при увеличении удельной электрической мощности в лампе. Однако реализация таких режимов приводит к сокращению ресурса работы ламп.

В работе [3] описан способ получения импульсного излучения ксеноновых трубчатых лампах диаметром 6-10 см, в котором для повышения КПД УФ-излучения разряд осуществлялся в режиме Z-пинч. Z-пинч в лампах обеспечивался при определенном давлении ксенона (5-15 Торр) и запасенной в конденсаторах энергии (60-90 кДж), Сжатие канала отсутствовало и эффективность снижалась при давлениях больших и энергиях меньших указанных значений. Длительность разряда в лампах составляла около 50 мкс при энергии разряда в 1,5 раза, меньшей предельной разрушающей энергии. Недостатком такого способа является ограниченный ресурс лампы.

За прототип выбран как наиболее близкий по технической и физической сущности способ получения импульсного ультрафиолетового излучения, описанный в работе [1].

Недостатками прототипа являются низкий КПД и энергия излучения в УФ-диапазоне, а также ограниченный ресурс работы лампы.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД и энергии УФ-излучения трубчатых импульсных ламп, наполненных инертными газами, при одновременном повышении их ресурса.

Технический результат достигается тем, что способ получения импульсного ультрафиолетового излучения по п.1 включает наполнение инертными газами трубчатой импульсной лампы и подачу импульса предыонизации перед подачей основного импульса. Новым в способе является то, что при подаче импульса предыонизации выбирают длительность и ток импульса предыонизации, обеспечивающие в объеме лампы плазму с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3. При этом импульс основного разряда с длительностью менее 10 микросекунд подают в момент максимума тока импульса предыонизации. В способе получения импульсного ультрафиолетового излучения по п.2 подачу импульса предыонизации осуществляют с длительностью, превышающей более чем в 10 раз длительность основного импульса, и током импульса предыонизации, более чем в 10 раз меньшим тока основного разряда.

Выбор длительности и тока импульса предыонизации, обеспечивающих в объеме лампы плазму с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3, позволяет создать условия для быстрого развития (доли микросекунд) основного разряда.

Подача импульса основного разряда с длительностью менее 10 микросекунд при достижении максимума тока импульса предыонизации приводит к увеличению световой мощности преимущественно в области УФ-диапазона длин волн и тем самым к увеличению КПД, энергии излучения при одновременном повышении ресурса трубчатой импульсной лампы.

Подача импульса предыонизации с длительностью, превышающей более чем в 10 раз длительность основного импульса, и током импульса предыонизации, более чем в 10 раз меньшим тока основного разряда, позволяет заполнить весь объем плазмой с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3.

Не обнаружены технические решения, совокупность признаков которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого способа получения импульсного УФ-излучения, в том числе с отличительными признаками. Эта новая совокупность признаков обеспечивает получение вышеуказанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена функциональная схема устройства для реализации заявляемого способа, где 1 - импульсная лампа; 2 - коммутирующее устройство основного контура; 3 - конденсатор основного контура; 4 - индуктивность монтажа основного контура; 9 - разделительный конденсатор; 7 - конденсатор контура предыонизации; 5 - индуктивность контура предыонизации; 6 - коммутирующее устройство контура предыонизации; 11 и 10 - блоки пуска разрядника и лампы; 12 и 8 - зарядные устройства конденсаторов основного контура и контура предыонизации; 13 - пульт управления.

Способ получения импульсного УФ-излучения осуществляется следующим образом.

Создают импульсный разряд в наполненной инертными газами кварцевой трубке путем подачи импульса предыонизации перед подачей основного импульса. При подаче импульса предыонизации выбирают длительность и ток импульса предыонизации, обеспечивающие в объеме лампы плазму с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3. Подачу импульса основного разряда с длительностью менее 10 микросекунд подают при достижении максимума тока импульса предыонизации. Кроме того, для создания в объеме лампы плазмы с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3 подачу импульса предыонизации осуществляют с длительностью, превышающей более чем в 10 раз длительности основного импульса, и током импульса предыонизации, более чем в 10 раз меньшим тока основного разряда.

Заявляемый способ получения импульсного УФ-излучения работает следующим образом.

С помощью блоков 13, 8 и 12 заряжают конденсаторы 3 и 7. Затем с помощью блоков 13, 10 и 9 поджигают лампу 1, наполненную инертным газом. При этом срабатывает коммутатор 6 и конденсатор 7 разряжается по цепи контура предыонизации 7, 6, 5, 1, 4. Ток контура предыонизации амплитудой, более чем в 10 раз меньшей амплитуды тока основного разряда, позволяет создать во всем объеме лампы 1 плазму с плотностью электронов не менее 10¹⁴ см^-3, обеспечивающих условия для быстрого развития основного разряда (доли микросекунд). Во время максимума тока предыонизации с помощью блоков 13 и 11 запускают коммутатор 2 и конденсатор 3 разряжается по цепи основного контура 3, 2, 1, 4. Ток разряда основного контура короткой длительности (менее 10 микросекунд) вызывает в лампе 1 излучение, доля УФ-излучения которого выше, чем у прототипа примерно в 2 раза.

По данному техническому решению на предприятии был создан макетный образец источника УФ-излучения на базе импульсной трубчатой ксеноновой лампы с длиной разрядного промежутка 90 см и внутренним диаметром 2 см. Давление ксенона в лампе составляло 100Торр. Конденсатор основного контура емкостью 2,75 мкФ заряжался до напряжения 35 кВ, а конденсатор контура предыонизации емкостью 12 мкФ - до напряжения 4,0 кВ. Ток в контуре предыонизации величиной около 1,2 кА имел длительность около 100 мкс (длительность половины периода разряда). Разрядник основного контура включался в момент максимума тока предыонизации - примерно через 50 мкс от начала тока предыонизации. Ток разряда основного контура имел амплитуду около 31 кА при длительности 4,0 мкс на уровне 0,5 амплитудного значения.

На макете осуществлена проверка работоспособности заявляемого способа. Результаты испытаний показали, что энергия УФ-излучения лампы в диапазоне 220-300 нм составила 200Дж при КПД не менее 12%.

Проведены оценки ресурса ламп по методике, изложенной в [4], и по полученным на макете экспериментальным результатам. Анализ оценок показал, что ресурс ламп при реализации заявляемого способа по сравнению с прототипом выше не менее, чем в 10 раз.

Изобретение найдет широкое применение в лазерах, в устройствах для обеззараживания и очистки воды, для разложения метанола и других устройствах, где необходим мощный импульс УФ-излучения с короткой длительностью вспышки (менее 10 микросекунд).

Источники информации

1. Ю.Г.Басов. Источники накачки микросекундных лазеров. «Энергоатомиздат», 1990, стр.10, 20, 21, 42, 43.

2. Импульсные источники света. Под ред. И.С.Маршака. М.: Энергия, 1978, стр.296.

3. О.Б.Данилов, А.П.Желваков и др. «Эффективность ультрафиолетового излучения ламп, работающих в режиме Z-пинча», ОМП, 1985, №5.

4. Г.Бредерлов, Э.Филл, К.Витте. «Мощный йодный лазер». М.: Энергоатомиздат, 1985, стр.27.

1. Способ получения импульсного ультрафиолетового излучения, включающий наполнение инертными газами трубчатой импульсной лампы и подачу импульса предыонизации перед подачей основного импульса, отличающийся тем, что при подаче импульса предыонизации выбирают длительность и ток импульса предыонизации, обеспечивающие в объеме лампы плазму с плотностью электронов не менее 10¹⁴ cм^-3, при этом импульс основного разряда с длительностью менее 10 микросекунд подают в момент максимума тока импульса предыонизации.

2. Способ получения импульсного ультрафиолетового излучения по п.1, отличающийся тем, что подачу импульса предыонизации осуществляют с длительностью, превышающей более чем в 10 раз длительность основного импульса, и током импульса предыонизации, более чем в 10 раз меньшим тока основного разряда.