Управление энергетическими и временными характеристиками излучения XECL лазеров и эксиламп (стр. 3 )

Третий раздел посвящен экспериментальному исследованию эмиссионных характеристик электроразрядных XeCl – эксиламп. В начале раздела приведено описание системы возбуждения разряда и установки для проведения экспериментальных измерений. Возбуждение разряда осуществлялось цугами высоковольтных (~30 кВ) высокочастотных двухполярных импульсов с длительностью цуга ~ 0,2 мкс и частотой повторения 10-50 Гц.

Описана конструкция эксилампы тлеющего разряда. Диаметр кварцевой трубы излучателя составлял 26 мм, толщина стенок 1,5 мм, а расстояние между электродами равнялась ~ 50 мм. Излучатель эксилампы имел полный объем 0.035 л, а активный излучающий объем равнялся 0.005 л (цилиндр длиной 5 см и диаметром ~1 см). Исследована средняя мощность излучения эксилампы в зависимости от состава, общего давления рабочей смеси, зарядного напряжения и частоты повторения импульсов (рисунок 2).

а – 2.5 Торр НС1, 25 Торр ксенона;

б – смесь 2.5 Торр НС1, 25 Торр ксенона, 72,5 Торр неона

Рисунок 2. – Зависимость мощности излучения от общего давления смеси (а) (зарядное напряжение 10 кВ) и от величины зарядного напряжения (б)

В результате проведенных экспериментов установлен оптимальный состав рабочей смеси эксилампы: 2.5 Торр НС1, 25 Торр ксенона, 72,5 Торр неона.

Средняя мощность излучения составляла ~1,25 Вт (при частоте повторения импульсов F=50 Гц). Эффективность лампы равнялась ~ 6 %. Светимость составляла - 80 мВт/cм2. При этом с 1 см3 активной среды снималась мощность излучения ~ 300 мВт/см3, что значительно превосходит мощность излучения с 1 см3 для эксиламп тлеющего разряда низкого давления. Для эксиламп с рабочей средой на основе смесей инертных газов с галогенами наличие или отсутствие контакта рабочего соединения с металлической поверхностью электродов является существенным с точки зрения обеспечения большего ресурса работы эксиламп. Для увеличения ресурса, как правило, используются безэлектродные разряды: емкостный и барьерный.

Описана конструкция эксилампы емкостного разряда. Лампа изготовлена из кварцевой трубки внешним диаметром 16 мм с толщиной стенок 1 мм. Длина лампы составляла ~ 200 мм. Емкостный разряд зажигался между двумя электродами, которые находились вне лампы и представляли собой металлические полоски, плотно прилегающие к поверхности излучателя. Излучатель эксилампы имел полный объем 0,030 л, а межэлектродный объем равнялся 0,015 л при межэлектродном расстоянии 10 см и мог меняться в процессе экспериментов путем перемещения электродов вдоль кварцевой трубки. Исследована зависимость средней мощности излучения в зависимости от состава, общего давления смеси, частоты повторения импульсов при межэлектродном расстоянии 10 и 5 см. В результате проведенных исследований найдено, что при межэлектродном расстоянии 10 см для эксилампы емкостного разряда оптимальная смесь имеет состав: 2,5 Торр НС1, 20 Торр Xe, 37,5 Торр Нe при общем давлении 60 Торр (рисунок 3). Средняя мощность излучения составляла ~0,6 Вт при частоте повторения импульсов F=50 Гц, а КПД ~3%. Светимость эксилампы равнялась ~ 15 мВт/cм2. При этом с 1 см3 активной среды снималась мощность излучения ~ 37 мВт/см3, что сопоставимо с мощностью излучения с 1 см3 для эксиламп тлеющего разряда низкого давления.

а – парциальное давление Хе 20 Торр, давление 60 Торр; б – 2,5 Торр НС1, 20 Торр Xe

Рисунок 3. – Зависимость мощности излучения эксилампы емкостного разряда от парциального давления HCl (а) и от общего давления (б)

Выполнено также исследование эмиссионных характеристик лампы при межэлектродном расстоянии 5 см. Была проведена оптимизация состава газовой смеси. Оптимальный рабочая смесь имела состав: 2,5 Торр НС1, 20 Торр Xe, 77,5 Торр Нe. Средняя мощность излучения при частоте повторения импульсов F=50 Гц составляла ~0,6 Вт. Светимость составляла ~ 30 мВт/cм2. При этом с 1 см3 активной среды снималась мощность излучения ~ 74 мВт/см3, что превосходит мощностью излучения с 1 см3 для эксиламп тлеющего разряда низкого давления.

Разработана и описана конструкция эксилампы барьерного разряда. Лампа изготовлена из кварцевой трубки диаметром 26 мм, длиной ~ 200 мм. Алюминиевый цилиндрический проводник (диаметром 10 мм), помещенный в кварцевую трубку и металлическая сетка на внешней поверхности трубки служили электродами. Металлическая сетка, изготовленная из нержавеющей стали, плотно прилегала к внешней поверхности кварцевой трубки. Колба лампы имеет полный объем 0,15 л и активный объем ~ 0,1 л. Исследована зависимость средней мощности излучения в зависимости от состава, общего давления смеси, частоты повторения импульсов возбуждения (рисунок 4).

а – 2 Торр НС1, 50 Торр ксенона, зрядное напряжение 10 кВ) и от величины зарядного напряжения; б – смесь 2 Торр НС1, 50 Торр ксенона, 700 Торр неона

Рисунок 4. – Зависимость мощности излучения от общего давления смеси

В результате проведенных экспериментов найдено, что для указанной конструкции эксилампы оптимальным является следующий состав смеси: 2 Торр НС1, 50 Торр Xe, 700 Торр Ne. Средняя мощность излучения составляла ~ 2,5 Вт (при частоте повторения импульсов F=50 Гц). Светимость эксилампы равнялась 20 мВт/cм2. При этом с 1 см3 активной среды снималась мощность излучения ~ 25 мВт/см3.

Эффективность эксилампы барьерного разряда, которая составила 12 %, примерно в четыре раза выше эффективности эксилампы емкостного разряда и в два раз выше эффективности эксилампы тлеющего разряда. Это связано с тем, что рабочее давление при емкостном разряде и тлеющем разряде (100 Торр) примерно на порядок ниже, чем при барьерном разряде (760 Торр). Поэтому в эксилампе емкостного разряда основным каналом образования XeCl* молекул является гарпунная реакция. Вклад рекомбинационного канала образования XeCl* молекул при среднем давлении (100 Торр) незначителен, так как скорость трехчастичной рекомбинации существенно зависит от общего давления смеси. В эксилампе барьерного разряда существенный вклад в образование XeCl* молекул дают рекомбинационный и гарпунный каналы и, поэтому ее эффективность выше.

В четвёртом разделе представлены результаты исследований по моделированию энергетических и временных характеристик XeCl эксилампы импульсного тлеющего разряда. Приведено описание разработанной методики. Расчет эмиссионных характеристик проводится следующим образом. В программу Bolsig+ вводится концентрация всех частиц используемых в нашей модели. Далее задается величина параметра U/Pd (U –напряжение на электродах, P – давление среды, d –межэлектродное расстояние). Программа определяет скоростные коэффициенты плазмохимических реакций с участием электронов. В программу, написанную в MathCad для решения системы уравнений, описывающих плазмохимические реакции и работу системы возбуждения разряда, вводятся величины скоростных коэффициентов. Определяется зависимость концентрации всех частиц от времени, временные характеристики работы системы возбуждения, энергия, КПД и форма импульса излучения.

Расчеты проводились для эксилампы с расстоянием между электродами d=40 cм, считалось, что площадь поперечного сечения разряда равна S. Величина S рассматривалась как параметр, который принимает числовые значения в диапазоне 0,25 – 200 cм2. Рассмотрены смеси молекул хлора Cl2 и атомов Хе при общем давлении 10 Торр. Зарядное напряжение равнялось Uзар=U1=30 кВ. Величина накопительной емкости изменялась в пределах С1=0,2 – 300 нФ.

На основании результатов моделирования XeCl-эксилампы можно сделать следующие выводы.

1. Основным каналом образования XeCl-молекул является гарпунная реакция. При данном общем давлении смеси канал ион-ионной рекомбинации можно не учитывать

2. При использовании бинарных смесей на основе Cl2:Xe=0,5:9,5 при общем давлении 10 Торр КПД эксиламп может достигать 20%, при этом наибольшая эффективность достигается при использовании малых величин накопительной емкости (0,2-0,5 нФ) и площади поперечного сечения разряда S>2,5 см2, а энергия импульса может достигать ~ 0,017 Дж.

3. Применение смесей обедненных донором галогена ведет к росту КПД при сравнительно небольшой энергии импульса. Применение смесей с большим содержанием доноров галогена приводит к увеличению энергии отдельного импульса, но при этом получается небольшой КПД. Использование при моделировании больших величин площади поперечного сечения разряда приводит к росту КПД, но экспериментально такие режимы трудно реализуемы.

4. Основными характеристиками эксилампы, которые получаются при компьютерном моделировании моноимпульсного режима работы, являются: а) зависимость энергии излучения и КПД от состава смеси и параметров системы возбуждения; б) зависимость доли оставшихся после разряда молекул Сl2 от

состава смеси и параметров системы возбуждения (рисунок 5).

Кривая 1 – емкость С1=5 нФ, площадь сечения разряда S=0,25 см2; Кривая 2 – емкость С1=0,2 нФ, площадь сечения разряда S=2 см2; общее давление 10 Торр;

Рисунок 5. – Зависимость энергии импульса излучения (а) и доли, оставшихся молекул Сl2 (б) от состава смеси

Знание этих параметров необходимо для определения эмиссионных характеристик эксиламп в импульсно-периодическом режиме работы с учетом регенерации Cl2.

5. При малых величинах накопительной емкости мощность увеличивается с ростом частоты следования импульсов до некоторой величины. Причем максимум мощности достигается при такой частоте повторения импульсов, при которой парциальное давление Cl2 для моментов времени, соответствующих началу импульса возбуждения, является оптимальным для моноимпульсного режима работы. При дальнейшем увеличении частоты будет происходить уменьшение мощности из-за выгоранием галогеноносителя (рисунок 6 а).