Газоразрядный источник излучения (варианты)

Группа изобретений относится к области электротехники, а именно к газоразрядным источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности источника излучения. Согласно первому варианту высоковольтный электрод (ВЭ) расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод (ЗЭ) выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы и дополнительно содержит либо токопроводящий элемент, соединенный с ЗЭ и размещенный на минимальном расстоянии от ВЭ на внешней поверхности внутренней трубки колбы, либо диэлектрический элемент в форме цилиндра, размещенный внутри разрядного промежутка колбы с определенными размерами. Согласно второму варианту ВЭ расположен во внутренней трубке колбы, а ЗЭ выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы, а во внутреннюю трубку колбы дополнительно введена металлическая трубка с проточной охлаждающей жидкостью, а пространство между ними заполнено пористым материалом, теплопроводность которого выше теплопроводности ВЭ. Согласно третьему варианту ВЭ расположен во внутренней трубке колбы, а ЗЭ выполнен в виде спирали и размещен на внешней поверхности колбы. Под спиральным электродом, изготовленным из проволоки, размещена металлическая полоска, соединяющая витки этого электрода. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Группа изобретений относится к газоразрядным источникам излучения, в частности к лампам барьерного разряда, и может быть использована в различных областях науки и техники, где необходимо ультрафиолетовое излучение, например в фотохимии, в фотомедицине, микроэлектронике.

Надежность и эффективность работы ламп барьерного разряда определяются рядом факторов: стабильностью зажигания разряда; режимом охлаждения колбы; сроком службы рабочей смеси; составом и давлением рабочей смеси; конструкцией колбы и электродов. Чаще всего лампы барьерного разряда заполняют смесями инертных газов и галогенов или чистыми инертными газами и используют колбу коаксиального типа.

Наиболее близким по технической сущности аналогом первого и второго варианта заявляемого устройства является источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы [1].

Недостатком источника является нестабильность зажигания разряда, которая имеет место в случаях, когда устройство долгое время не эксплуатировалось, при повышенном давлении газовой среды либо при долговременной эксплуатации устройства (за счет выделения кислорода из кварцевой стенки колбы увеличивается напряжение пробоя газового промежутка, что затрудняет зажигание).

Единой задачей, на решение которой направлены заявляемые технические решения, является повышение надежности и эффективности источника излучения.

Техническим результатом при осуществлении первого варианта газоразрядного источника излучения является облегчение зажигания разряда в колбе.

Для решения вышеуказанного технического результата первого варианта в газоразрядный источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, при этом высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы, согласно изобретению добавлен либо токопроводящий элемент, соединенный с заземленным электродом и размещенный на минимальном расстоянии от высоковольтного электрода на внешней поверхности внутренней трубки колбы, либо диэлектрический элемент в форме цилиндра, размещенный внутри разрядного промежутка колбы с размерами:

d≤0.3g; 0.5lg≤l≤lg,

где d, l - диаметр и длина диэлектрического элемента,

g - величина разрядного промежутка,

lg - длина колбы.

Схема предлагаемого источника изображена на фиг.1.

Колба источника излучения выполнена из диэлектрических коаксиальных трубок 1 и 2, спаянных на торцах, образующих разрядный промежуток 3, заполненный рабочей газовой смесью. Внешняя трубка 1 выполнена из материала прозрачного на рабочей длине волны. Во внутренней трубке 2 расположен цилиндрический полый электрод 4, а другой 5 - перфорированный - размещен на внешней поверхности колбы и соединен с токопроводящим элементом 6 (фиг.1а). Вместо токопроводящего элемента 6 может быть использован диэлектрический элемент 7, помещаемый в разрядный промежуток 3 (фиг.1б).

Устройство работает следующим образом.

При подаче на электроды 1, 2 импульса напряжения происходит зарядка внутренних областей стенок колбы, расположенных под электродами 4 и 5. Затем в той части разрядного промежутка 3, в которой токопроводящий элемент 6 наиболее близко располагается к внутреннему электроду, инициируется облегченный разряд. Он служит источником ионизации для остального объема, обеспечивает надежность зажигания разряда и заполнение микроразрядами всего объема. Аналогично, при использовании диэлектрического элемента 7 вначале обеспечивается его зарядка от внешней стенки 1, и первые микроразряды возникают в промежутке между ним и внешней стенкой внутренней трубки 2, что облегчает разряд. Локальный разряд между диэлектрическим элементом 7 и внутренней стенкой внешней трубки служит источником ионизации для остального объема, после чего микроразряды заполняют собой весь объем.

Экспериментальные исследования заявляемого источника излучения показали, что в сравнении с прототипом [1] источник обеспечивает стабильность зажигания разряда, в случаях, когда устройство долгое время не эксплуатировалось, при повышенном давлении газовой среды, при долговременной эксплуатации устройства (при этом возможны выделения кислорода из кварцевой стенки колбы, что увеличивает напряжение пробоя газового промежутка и затрудняет зажигание) простым способом. Предложенный источник представлял собой колбу с диаметрами внешней и внутренней трубок 43 и 20 мм, соответственно, lg=9 см. В смесях газов Kr и Cl₂ (в соотношении 240/1) при частоте следования импульсов питания 40 кГц, использование токопроводящего элемента 6 позволяло на 24% увеличить рабочее давление, по сравнению с прототипом, а в чистом Kr увеличение составляло 12%. При использовании диэлектрического элемента 7 d=3 мм, l=40 мм получен аналогичный эффект.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает зажигание разряда в условиях ухода от начальных значений таких параметров, как давление и состав газовой среды, что увеличивает срок службы прибора, а в целом надежность работы.

Вышеописанный источник [1] взят за прототип для второго варианта заявляемого устройства, в котором увеличение удельного энерговклада в газовую среду и/или увеличение длины источника излучения ведет к снижению эффективности излучения и требует форсированного охлаждения. При малых энерговкладах охлаждение не требуется, либо достаточно использовать воздушное охлаждение через торец колбы. При больших энерговкладах используется водяное охлаждение через внутреннюю трубку. В этом случае появляется постепенное окисление внутреннего электрода с потерей отражающей способности и, соответственно, снижение эффективности и надежности работы источника излучения.

Технический результат второго варианта газоразрядного источника излучения достигается за счет обеспечения форсированного охлаждения простыми средствами.

Для решения вышеуказанного технического результата в источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, при этом высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы, согласно изобретению во внутреннюю трубку колбы дополнительно введена металлическая трубка с проточной охлаждающей жидкостью, а пространство между ними заполнено пористым материалом, теплопроводность которого выше теплопроводности высоковольтного внутреннего электрода.

Схема предлагаемого второго варианта источника изображена на фиг.2.

Колба источника излучения выполнена из диэлектрических коаксиальных трубок 1 и 2, спаянных на торцах, образующих разрядный промежуток 3, заполненный газовой рабочей смесью. Внешняя трубка 1 выполнена из материала прозрачного на рабочей длине волны. Во внутренней трубке 2 расположен цилиндрический полый электрод 4, а другой 5 - перфорированный - размещен на внешней поверхности. Кроме того, во внутренней трубке размещена металлическая трубка 8 для водного охлаждения 9, которая опосредовано, через пористый теплопроводящий материал 10 контактирует с высоковольтным внутренним электродом 4.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на электроды 1, 2 импульса напряжения происходит зарядка внутренних областей стенок колбы, расположенных под электродами, и пробой междуразрядного промежутка 3. Прокачка через трубку 8 воды приводит к выносу тепла через пористый теплопроводящий материал с электрода 4. При этом электрод 4 не подвергается непосредственному действию воды, не ржавеет и не деформируется, т.е. сохраняет свои свойства как отражатель. С увеличением энерговклада в колбу, регулируя скорость протока воды через трубку 8, обеспечивается эффективное охлаждение электрода 4, но при этом, в отличие от прототипа, электрод не контактирует с водой. Данная схема охлаждения также эффективна при эксплуатации длинных ламп. Если использовать длинную лампу и воздушное охлаждение, то поток воздуха, продвигаясь вдоль электрода 4, постепенно нагревается, что приводит к худшему охлаждению лампы со стороны выхода воздуха. Использование же предложенного решения обеспечивает равномерное охлаждение электрода 4 по всей длине трубки. Это увеличивает надежность работы источника и эффективность. Последнее достигает за счет того, что электрод не теряет своей прозрачности в ходе длительной эксплуатации. Использование пористого теплопроводящего материала облегчает его установку внутрь колбы, а сам элемент при циклах нагревания-охлаждения демпфирует механическую нагрузку на внутренний электрод.

Экспериментальные исследования заявляемого источника в сравнении с прототипом [1] показали следующее. Источник представлял собой колбу с диаметрами внешней и внутренней трубок 43 и 20 мм, соответственно. В смесях газов Kr и Cl₂ (в соотношении 240/1) при частоте следования импульсов питания 40 кГц, lg=9 см, при использовании воздушного охлаждения за 5 минут работы источник выходит на стационарный температурный режим и колба источника нагревается до 50-60°С. Если lg увеличить в 4 раза, то разогрев колбы становится неравномерным: на входе он составляет 50-60°С, а на выходе 110°С. Неравномерность охлаждения служит причиной того, что у входа плотность мощности излучения эксилампы была на 10-15% выше, чем у выхода. Это связано со снижением эффективности излучения при перегреве газовой среды. Прямая прокачка воды через внутренний электрод приводит к тому, что коэффициент отражения внутреннего электрода постепенно падает, что снижает как мощность, так и эффективность излучения. Применение предложенного нами источника излучения, по сравнению с прототипом [1] для lg=9 см, но при двукратном увеличении энерговклада в среду приводило к тому, что за 5 минут работы источник выходит на стационарный температурный режим и колба источника нагревается до 50-60°С. При увеличении длины колб температурный режим не меняется.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает надежность и эффективность работы в случаях, когда источник эксплуатируется при повышенных энерговкладах и/или используется длинная колба.

Наиболее близким по технической сущности аналогом третьего варианта заявляемого устройства является источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы и выполнен в виде спирали, а заземленный электрод выполнен в форме ленточной спирали и размещен на внешней поверхности колбы [2].

Недостатком источника является то, что внешний электрод препятствует выводу излучения из колбы, экранируя до 10% потока излучения, что, в конечном счете, снижает эффективность излучения источника.

Техническим результатом третьего варианта газоразрядного источника излучения является уменьшение потерь излучения при его выводе из колбы.

Для достижения вышеуказанного эффекта в газоразрядный источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, при этом высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен в виде спирали и размещен на внешней поверхности колбы, согласно изобретению под спиральным электродом, изготовленным из проволоки, размещена металлическая полоска, соединяющая витки этого электрода.

Схема предлагаемого источника изображена на фиг.3.

Колба источника излучения выполнена из диэлектрических коаксиальных трубок 1 и 2, спаянных на торцах, образующих разрядный промежуток 3, заполненный рабочей смесью. Внешняя трубка 1 выполнена из материала прозрачного на рабочей длине волны. Во внутренней трубке 2 расположен цилиндрический полый электрод 4, а внешний электрод выполнен в виде спирали 5, под которой вдоль всей длины внешней трубки расположена, по крайней мере, одна узкая плоская металлическая полоска 11.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на электроды 1, 2 импульса напряжения происходит зарядка внутренних областей стенок колбы, расположенных под электродами, и пробой междуразрядного промежутка 3. Полоска 11 обеспечивает минимальную индуктивность при зарядке внешней стенки колбы от спирального электрода 5. В отличие от прототипа, где внешний электрод экранирует до 10% потока излучения, использование тонкого спирального электрода 5 обеспечивает наименьшие потери излучения при его выводе из колбы.

Экспериментальные исследования показали, что оптимальным материалом для спирального электрода 5 являются жаропрочные, пластичные материалы с низким температурным коэффициентом расширения, например нихром, выполненный в форме проволоки диаметром 40-70 мкм. Шаг спирали не должен превышать 10 витков/см. Металлическая полоска 11 может быть выполнена из тонкой фольги (медной, никель-алюминиевой, алюминиевой) толщиной до 100 мкм и шириной до 2 мм.

Использование предложенного решения обеспечивает равномерность ввода энергии в колбу источника, особенно в колбу длиной несколько десятков сантиметров, отличается простотой реализации и максимально увеличивает прозрачность внешнего электрода, снижая потери излучения (внешний электрод экранирует не более 5% потока излучения) и увеличивая эффективность источника в целом.

Источники информации

1. Esrom H., Kogelschatz U. Modification of surfaces with new excimer UV sources // Thin Solid Films. 1992. V.218. P.231-246.

2. US Patent No. 6342761. January 29, 2002. МПК⁷ H01J 65/00, H01J 61/06, H01J 017/20.

1. Газоразрядный источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, при этом высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы, отличающийся тем, что в источник добавлен либо токопроводящий элемент, соединенный с заземленным электродом и размещенный на минимальном расстоянии от высоковольтного электрода на внешней поверхности внутренней трубки колбы, либо диэлектрический элемент в форме цилиндра, размещенный внутри разрядного промежутка колбы с размерами
d≤0.3g; 0.51g≤l≤lg,
где d, l - диаметр и длина диэлектрического элемента,
g - величина разрядного промежутка,
lg - длина колбы.

2. Газоразрядный источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, при этом высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен перфорированным и размещен на внешней поверхности колбы, отличающийся тем, что во внутреннюю трубку колбы дополнительно введена металлическая трубка с проточной охлаждающей жидкостью, а пространство между ними заполнено пористым материалом, теплопроводность которого выше теплопроводности высоковольтного внутреннего электрода.

3. Газоразрядный источник излучения, содержащий разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, электроды, при этом высоковольтный электрод расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод выполнен в виде спирали и размещен на внешней поверхности колбы, отличающийся тем, что под спиральным электродом, изготовленным из проволоки, размещена металлическая полоска, соединяющая витки этого электрода.