Длины волн основных переходов эксиплексных молекул

Атом инертного газа (R)	Атом галогена (TY)	Длина волны (RY)*, нм
		D1/2→X1/2	B1/2→X1/2	C3/2→A3/2	D1/2→A1/2
Ne	F	106	108	110	111
Ar	F	185	193	203	204
Ar	Cl		175		195
Ar	Br		165	172	183
Kr	F	220	248	275	272
Kr	Cl	200	222	240	235
Kr	Br		207	222	228
Kr	J		190	195	225
Xe	F	264	351	460	410
Xe	Cl	236	308	345	340
Xe	Br	221	282	300	325
Xe	J	203	253	265	320

Заселение верхних уровней происходит под действием быстрых электронов в сложной последовательности тройных столкновительных процессов:

R^* +2R → (R₂)^* + R.

Излучение формируется в результате оптических переходов из уровней возбужденных молекул в основное состояние эксимерных молекул инертного газа и гомоядерных молекул галогенов (табл. 4.20).

Ввиду высокой химической активности галоидов (особенно F₂) в объем газоразрядного канала эксиламп вводятся галоидосодержащие молекулы (NF₃, SF₆, BF₃, фреоны и др.). Кроме того, для обеспечения соответствующей электронной температуры и эффективного размножения электронов в объем лампы добавляется буферный газ. В качестве буферного используются газы инертной группы с низкой молекулярной массой (гелий, аргон, неон).

Таблица 4.20

Длины волн переходов эксимерных и гомоядерных молекул

R2*,Y2*	Ar2*	Kr2*	Xe2*	F2*	Cl2*	Br2*	J2*
λ, нм	126	146	172	158	259	289	342

Скорость реакции пропорциональна квадрату концентрации атомов в основном состоянии. Из-за этого наблюдается сильная зависимость спектра и интенсивности излучения от давления (рис. 4.62). Резонансные линии доминируют при низком давлении. По мере увеличения давления формируются линии, условно определяемые как первый и второй континуумы. Первый континуум связан с переходами из высоколежащих энергетических состояний. Второй – формируется переходами из более низких состояний. При давлениях выше 100 мм рт.ст. превалируют линии второго континуума.

Н аиболее эффективными оптическими средами являются ксенон (эффективность преобразования энергии электрического разряда в оптическое излучение для Xe₂^* η ≈ 60 %, длина волны излучения λ_m = 172 нм) и соединений: Kr – Cl₂ (KrCl^* η ≈ 25 %, λ_m = 222 нм); Xe – Cl₂ (XeCl^* η ≈ 25 % λ_m = 282 нм); Xe – Br₂ (XeBr^* η ≈ 15 %, λ_m = 282 нм); Xe – J₂ (XeJ^* η ≈ 20 %, λ_m = 253 нм). Кварцевая оболочка соответствующего состава хорошо пропускает излучение на указанных длинах волны. Высокая эффективность преобразования определяется тем, что энергия электрического поля преобразуется в оптическое излучение без существенных потерь.

В импульсных и импульсно-периодических источниках света возбуждение может осуществляться либо широкополосным (тепловым) излучением плазмы мощного электрического разряда, либо электронным пучком, либо самостоятельным газовым разрядом. Последний метод наиболее доступен для широкого применения в источниках излучения промышленного выпуска.

Для реализации самостоятельной формы газового разряда могут быть использованы схемы питания с внутренними электродами и внешними, работающими по принципу емкостного либо барьерного способа возбуждения электрического разряда (рис. 4.63).

Вариант с внутренними электродами (рис. 4.63, а) реализуется преимущественно с питанием постоянным током либо током промышленной частоты при малом давлении газовой среды при тлеющей форме газового разряда. Возможны слаботочный режим (при малом сечении разрядного канала) и сильноточный. Рабочее давление определяется с учетом того, что при очень малом давлении падает интенсивность излучения. При слишком большом давлении возникает контрактация (стягивание) разряда в узкий светящийся шнур. Оптимальные условия работы эксиламп с газовой смесью из Xe – Cl₂ и Kr – Cl₂ (соотношение компонент 3:1) соответствуют области давлений 1…2 мм рт.ст., при объемном энерговкладе 0,3…0,5 Вт/(см³·мм рт.ст.) и диаметре разрядного канала 52 … 56 мм.

Спроектированы и испытаны образцы ламп с внутренними электродами, включенными в виде трех параллельно соединенных секций по четыре лампы в каждой секции. Общая мощность системы составляла 1,6 кВт при наполнении смесью Xe – Cl₂ и 1,1 кВт при наполнении смесью Kr – Cl₂. Напряжение источника питания – 15 кВ.

В этих устройствах средняя по длине разрядного канала эффективность составляла 9 …12 % и выше. Как показал анализ, такая высокая эффективность обусловлена высокой интенсивностью образования эксиплексных молекул и низкой вероятностью безызлучательного распада.

Полученные данные не являются предельными и могут быть увеличены: 1) использованием более мощных источников питания; 2) применением интенсивного охлаждения; 3) за счет перехода к более высоким давлениям с одновременным уменьшением диаметра разрядного канала.

Достоинством эксиламп с внутренними электродами являются простота конструкции и схемы питания, а также высокие энергетические параметры. Серьезным недостатком этих ламп является чрезвычайно низкий срок службы (для испытанных образцов он составлял всего несколько минут).

В эксилампах с внешними электродами и емкостным возбуждением формируется продольная форма разряда (рис. 4.63, б). Благодаря внешнему расположению электродов удается существенно увеличить срок службы (не менее 2500 часов). Вероятность контрагирования разряда ниже, чем в лампах с внутренними электродами, так как возбуждение разряда обеспечивается переменным током либо импульсным питанием. Как и в предыдущем случае, наиболее высокие эксплуатационные параметры наблюдаются на галогенах тяжелых инертных газов (Xe – Cl, Xe – Br, Kr – Cl) и их смесей. Оптимальное давление газа – примерно 15 мм рт.ст. при межэлектродном расстоянии порядка 20 см при соотношении компонент инертный газ/галоген в пределах 7/1 … 35/1. Потребляемая мощность порядка 7 Вт, эффективность преобразования примерно 15 %. Светящийся канал 1…1,5 см. Наиболее высокие энергетические параметры получаются при питании разряда от двухполярного источника импульсного напряжения. Оптимальная частота следования импульсов 100 кГц, длительность импульсов примерно 1 мкс. Емкость газоразрядного промежутка при емкостном возбуждении разряда примерно 1,5 пФ – существенно меньше приэлектродной емкости. Благодаря этому практически все напряжение, прикладываемое к лампе, формируется на газоразрядном промежутке.

В случае барьерного способа возбуждения разряда напряжение прикладывается в поперечном направлении (рис. 4.63, в). При этом способе возбуждения существенно усложняется конструкция лампы.

Один или оба электрода изготавливаются в виде прерывистой сетчатой структуры, что необходимо для вывода излучения во внешнее пространство. Возможны варианты исполнения прибора с плоским разрядным каналом и двусторонним питанием (рис. 4.64, а), а также с односторонним питанием и с чередующимися электродами возбуждения (рис. 4.64, б).

При барьерном питании заметным образом сказывается перераспределение питающего напряжения в приэлектродной области на диэлектрике и в газоразрядном промежутке.

В отличие от емкостного барьерный разряд заметно ограничен, по крайней мере, одним слоем диэлектрика, а характерные размеры электродов существенно превышают длину разрядного канала. Это предопределяет необходимость учитывать перераспределение энерговклада в диэлектрической оболочке и разрядном промежутке, поскольку в силу закона сохранения суммы токов проводимости и смещения ток проводимости в плазме

I_а = I_см.бар = I_см.пр,

где I_см.бар – ток смещения через диэлектрический барьер; I_см.пр – ток смещения через емкость газоразрядного промежутка,

I_см.бар = C_д ∂U/∂t + U ∂C_д/∂t.

На основе барьерных ламп с ксеноном разработано целое семейство источников спонтанного излучения в УФ и ВУФ области спектра, а также безртутных и плоских люминесцентных ламп.

Как установлено, плазма барьерного разряда имеет следующие особенности:

• высокое давление газовой смеси (сотни мм рт.ст. и выше);

• пространственную неоднородность и малую длительность протекания различных процессов. Как правило, наряду с объемным разрядом, в плазме наблюдаются хаотически распределенные микроразряды (филаменты), длительность протекания тока в которых не превышает 10…50 нс;

• сильно неравновесную плазму (средняя температура электронного газа – несколько электрон-вольт, температура газа примерно равна температуре оболочки);

• возможность менять приведенное значение напряженности электрического поля (E/p) изменением напряжения питания, давления газовой смеси, размером межэлектродного промежутка;

• возможность масштабирования и задания произвольной геометрии излучающей поверхности.

Все это, наряду с отсутствием контакта рабочей среды с поверхностью металлических электродов, обеспечивает большой ресурс и большое разнообразие конструктивных решений, способствующих широкому применению эксиламп.

Параметры ламп заметно ухудшаются при повышении температуры оболочки. Поэтому желательно иметь эффективное охлаждение. Это позволяет довести удельный энерговклад до 1 Вт/см³ и удельную мощность излучения до 0,1 Вт/см³.

Целесообразно применение водяного охлаждения. Кроме того, такая система охлаждения одновременно может использоваться для обеззараживания воды (вместо хлорирования).

По сравнению с другими источниками излучения эксилампы отличаются следующими особенностями:

• по сравнению с лампами спонтанного излучения они обеспечивают более узкий спектр в ультрафиолетовой области, что снижает бесполезный нагрев оболочки и облучаемых объектов;

• по сравнению с люминесцентными лампами дневного света в эксилампах нет ртути;

• по сравнению с источниками когерентного излучения (лазерами) они обеспечивают облучение объектов большой площади, у них ниже стоимость и выше КПД.