ВУФ-лампа емкостного разряда на смеси паров воды с аргоном
УДК 537.52 ВУФ-ЛАМПА ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА НА СМЕСИ ПАРОВ ВОДЫ С АРГОНОМ
© 2012 г. А. К. Шуаибов, доктор физ.-мат. наук; А. И. Миня, канд. физ.-мат. наук; З. Т. Гомоки; И. В. Шевера; Р. В. Грицак, аспирант
Ужгородский национальный университет, г. Ужгород, Украина
Е-mail: shuaibov@univ.uzhgorod.ua
Приведены результаты исследования спектральных характеристик плазмы (175– 200 нм) импульсно-периодической лампы емкостного разряда, которая работает на смеси паров воды с аргоном. Показано, что при низком давлении аргона емкостной разряд является широкополосным источником вакуумного ультрафиолетового излучения. Проведена оптимизация интенсивности полос излучения плазмы емкостного разряда в зависимости от парциального давления аргона и паров воды. Для разряда в смеси аргона с парами воды выполнены расчеты электронных кинетических коэффициентов.
Ключевые слова: емкостный разряд, ВУФ-излучение, электронные кинетические коэффициенты.
Коды OCIS: 280.5395
Поступила в редакцию 11.03.2012
Введение
В работах [1, 2] приведены результаты исследования ультрафиолетового (УФ) излучения тлеющего разряда в смеси паров воды с аргоном. Менее изученными являются источники вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения емкостного разряда с недорогой, экологически чистой и безопасной рабочей средой. Необходимо отметить преимущество использования емкостного разряда вместо тлеющего разряда, которое заключается в том, что плазма паров воды не контактирует с электродами. Малоизученными являются и параметры подобной плазмы. Чтобы понять поведение процессов в разряде на смеси Ar–H2O, целесообразно проведение численного моделирования газоразрядного источника ВУФ-излучения.
Эксперимент
Исследование лампы импульсно-периодического емкостного разряда на основе смеси аргона с парами воды проводили с использованием цилиндрической кварцевой трубки с наружным диаметром 7 мм и длиной 50 см. Расстояние между катодом и анодом, которые были изготовлены из никелевой фольги шириной 2 см,
составляло 20 см. Основные электроды размещались на внешней поверхности газоразрядной трубки. Импульсы напряжения амплитудой 25–40 кВ и частотой 50–1000 Гц подавались на электроды. Пары воды напускали из баллона с дистиллированной водой, который был установлен в вакуумной газосмесительной системе. Если на электроды подавалось напряжение U менее 30 кВ, то между электродами возникал импульсно-периодический емкостный разряд. Для исследования спектров излучения этого разряда использовали однометровый вакуумный монохроматор и фотоумножитель ФЭУ142. Интенсивность полос определялась как площадь под соответствующей спектральной кривой.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Емкостный разряд в смеси Ar–H2O однородно заполнял весь объем между электродами газоразрядной трубки и имел розовый цвет с фиолетовым оттенком. Спектры ВУФизлучения исследовали в спектральной области 120–314 нм при парциальных давлениях p(H2O) = 0,02–0,2 кПа и p(Ar) = 1,33– 10,66 кПа. На рис. 1а, б, в представлены
96 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
I, отн. ед.
300
150
(а)
I, отн. ед.
100
50
(б)
0 200
300 , нм 0 150
I, отн. ед.
100
(в)
300 , нм
50 0 150
300 , нм
Рис. 1. Спектры излучения емкостного раз-
ряда на смеси р(Ar)–р(H2O) = 1,33–0,133 кПа (а), р(Ar)–р(H2O) = 2,66–0,2 кПа (б), р(Ar)– р(H2O) = 10,66–0,133 кПа (в).
спектры излучения лампы емкостного разряда на смесях p(Ar)–p(H2O) = 1,33 – 0,13 кПа, p(Ar)–p(H2O) = 2,66 – 0,02 кПа и p(Ar)– p(H2O) = 10,66 – 0,13 кПа.
Основное излучение плазмы емкостного
разряда сконцентрировано в диапазоне 175–
200 нм. Данные полосы могут быть отождест-
влены с электронно-колебательными перехо-
дами гидроксила (C–A, B–X) и могут быть свя-
заны с излучением возбужденных комплексов молекул (OH)*n (H2O) [3]. Максимальная интенсивность полос ВУФ-диапазона наблюдается, когда p(Ar) = 1,33 кПа и p(H2O) = 0,13 кПа (рис. 1а). При увеличении давления аргона
от 1,33 кПа до 2,66 кПа – интенсивность дан-
ных полос уменьшается в 2,5 раза (рис. 1б).
Увеличение парциального давления аргона до
10,66 кПа (рис. 1в) приводит к еще большему
уменьшению интенсивности ВУФ-излучения
плазмы. Наиболее сильное влияние на излуче-
ние в ВУФ-области спектра смеси Ar–H2O оказывает давление аргона. При малых давлениях
аргона наблюдаются наиболее интенсивные по-
лосы излучения ОН.
На рис. 2 приведена интенсивность полос излучения в диапазоне 150–200 нм в зависимости от парциального давления аргона при p(H2O) = 0,13 кПа. Чтобы получить наибольшую интенсивность излучения, опти-
I, отн. ед.
6000
4000
0 р(Ar), кПа 10 Рис. 2. Зависимость интенсивности излучения характеристических полос (150–200 нм) газоразрядной плазмы на смеси Ar–H2O от величины давления аргона при p(H2O) = 0,13 кПа.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
97
I, отн. ед.
5000
4000
0 0,15 р(H2O), кПа
Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения характеристических полос (150–200 нм) газоразрядной плазмы на смеси Ar–H2O от величины давления паров воды при р(Ar) = 2,66 кПа.
, отн. ед. 0,55 4
0,45
3
0,35
0,25
1
0,15
2
200 нм смеси He–H2O при p(He) = 2,66 кПа и смеси Ar–H2O при p(Ar) = 2,66 кПа, то применение Ar вместо He приводит к уменьшению интенсивности полос излучения [4].
Проведены численные расчеты электронных коэффициентов путем решения уравнения Больцмана для функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) с использованием программы Bolsig+ [5]. Расчеты проводили для смеси p(Ar)–p(H2O) в диапазоне E/N = 1–1000 Тд. Процессы, которые были учтены при решении кинетического уравнения Больцмана, для ФРЭЭ приведены в работе [4]. Максимальными были константы скорости диссоциативного возбуждения молекулы H2O. Константы скорости процессов диссоциативного прилипания электронов к молекуле воды, которые имеют наименьший порог по энергии, были наименьшими. Также была рассчитана зависимость средней энергии электронов в разряде на смеси Ar–H2O от параметра E/N. Было установлено, что по мере увеличения параметра E/N почти линейно возрастает и энергия электронов в плазме. Из рассчитанных зависимостей удельных потерь мощности разряда в смеси Ar–H2O (рис. 4) следует, что максимальными были потери мощности на возбуждение (1–3) и ионизацию (4) наиболее низких энергетических уровней воды и атомов аргона.
0,05 Заключение
100 300 500 700 900
E/N, Tд
Из исследования эмиссионных характеристик лампы импульсно-периодического
Рис. 4. Распределение удельных потерь мощ-
ности разряда на элементарные процессы
в смеси p(Ar)–p(H2O) = 1,8–0,16 кПа от параметра Е/N: возбуждение низких энергетиче-
ских уровней атомов аргона (1, 2), воды (3),
ионизация атома аргона (4).
емкостного разряда следует, что основными в спектрах смеси Ar–H2O являются полосы диапазона 175–200 нм. Данные полосы могут быть отождествлены с излучением радикала ОН. Чем меньше парциальное давление аргона, тем выше интенсивность излучения по-
лос ВУФ-диапазона. Это указывает на низкую
эффективность процесса передачи энергии от
атомов Ar в метастабильных состояниях мо-
мальное давление аргона должно составлять лекулам воды при возбуждении емкостного
0,1–0,5 кПа. Зависимость интенсивности по- разряда короткими высоковольтными импуль-
лос ВУФ-излучения плазмы от парциально- сами. Для излучения смеси аргона с парами
го давления паров воды (рис. 3) показало, что воды оптимальное давление аргона составля-
для получения максимальной интенсивности ет 0,1–0,5 кПа, а оптимальное давление паров
полос в диапазоне 150–200 нм оптимальное воды – 0,06–0,16 кПа. Полученные в пред-
давление паров воды должно составлять 0,06– ставленной работе результаты могут быть ис-
0,16 кПа.
пользованы при расчетах кинетики процессов,
Если сравнить зависимости спектральных развивающихся в ВУФ-лампе при емкостном
полос излучения в диапазоне длин волн 175– разряде.
*****
98 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
ЛИТЕРАТУРА
1. Вуль А.Я., Кидалов С.В., Миленин В.М., Тимофеев Н.М., Ходорковський М.А. Исследование тлеющего разряда в смеси аргона с гидроксилом ОН // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. № 8. С. 62–63.
2. Вуль А.Я., Кидалов С.В., Миленин В.М., Тимофеев Н.М., Ходорковський М.А. Новый эффективный газоразрядный источник оптического излучения низкого давления на основе гидроксила ОН // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. № 1. С. 10–16.
3. Шуаибов А.К., Шимон Л.Л., Дащенко А.И., Шевера И.В. Электроразрядный ВУФ-излучитель на парах воды // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. № 115. С. 46–50.
4. Шуаибов А.К., Миня А.И., Малинин А.Н., Гомоки З.Т., Грицак Р.В. ВУФ-лампа с накачкой емкостным разрядом на смесях инертных газов с молекулами воды // Журнал прикладной спектроскопии. 2011. Т. 78. № 6. С. 927–931.
5. http://siglo-kinema.com/bolsig.htm.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
99
© 2012 г. А. К. Шуаибов, доктор физ.-мат. наук; А. И. Миня, канд. физ.-мат. наук; З. Т. Гомоки; И. В. Шевера; Р. В. Грицак, аспирант
Ужгородский национальный университет, г. Ужгород, Украина
Е-mail: shuaibov@univ.uzhgorod.ua
Приведены результаты исследования спектральных характеристик плазмы (175– 200 нм) импульсно-периодической лампы емкостного разряда, которая работает на смеси паров воды с аргоном. Показано, что при низком давлении аргона емкостной разряд является широкополосным источником вакуумного ультрафиолетового излучения. Проведена оптимизация интенсивности полос излучения плазмы емкостного разряда в зависимости от парциального давления аргона и паров воды. Для разряда в смеси аргона с парами воды выполнены расчеты электронных кинетических коэффициентов.
Ключевые слова: емкостный разряд, ВУФ-излучение, электронные кинетические коэффициенты.
Коды OCIS: 280.5395
Поступила в редакцию 11.03.2012
Введение
В работах [1, 2] приведены результаты исследования ультрафиолетового (УФ) излучения тлеющего разряда в смеси паров воды с аргоном. Менее изученными являются источники вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения емкостного разряда с недорогой, экологически чистой и безопасной рабочей средой. Необходимо отметить преимущество использования емкостного разряда вместо тлеющего разряда, которое заключается в том, что плазма паров воды не контактирует с электродами. Малоизученными являются и параметры подобной плазмы. Чтобы понять поведение процессов в разряде на смеси Ar–H2O, целесообразно проведение численного моделирования газоразрядного источника ВУФ-излучения.
Эксперимент
Исследование лампы импульсно-периодического емкостного разряда на основе смеси аргона с парами воды проводили с использованием цилиндрической кварцевой трубки с наружным диаметром 7 мм и длиной 50 см. Расстояние между катодом и анодом, которые были изготовлены из никелевой фольги шириной 2 см,
составляло 20 см. Основные электроды размещались на внешней поверхности газоразрядной трубки. Импульсы напряжения амплитудой 25–40 кВ и частотой 50–1000 Гц подавались на электроды. Пары воды напускали из баллона с дистиллированной водой, который был установлен в вакуумной газосмесительной системе. Если на электроды подавалось напряжение U менее 30 кВ, то между электродами возникал импульсно-периодический емкостный разряд. Для исследования спектров излучения этого разряда использовали однометровый вакуумный монохроматор и фотоумножитель ФЭУ142. Интенсивность полос определялась как площадь под соответствующей спектральной кривой.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Емкостный разряд в смеси Ar–H2O однородно заполнял весь объем между электродами газоразрядной трубки и имел розовый цвет с фиолетовым оттенком. Спектры ВУФизлучения исследовали в спектральной области 120–314 нм при парциальных давлениях p(H2O) = 0,02–0,2 кПа и p(Ar) = 1,33– 10,66 кПа. На рис. 1а, б, в представлены
96 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
I, отн. ед.
300
150
(а)
I, отн. ед.
100
50
(б)
0 200
300 , нм 0 150
I, отн. ед.
100
(в)
300 , нм
50 0 150
300 , нм
Рис. 1. Спектры излучения емкостного раз-
ряда на смеси р(Ar)–р(H2O) = 1,33–0,133 кПа (а), р(Ar)–р(H2O) = 2,66–0,2 кПа (б), р(Ar)– р(H2O) = 10,66–0,133 кПа (в).
спектры излучения лампы емкостного разряда на смесях p(Ar)–p(H2O) = 1,33 – 0,13 кПа, p(Ar)–p(H2O) = 2,66 – 0,02 кПа и p(Ar)– p(H2O) = 10,66 – 0,13 кПа.
Основное излучение плазмы емкостного
разряда сконцентрировано в диапазоне 175–
200 нм. Данные полосы могут быть отождест-
влены с электронно-колебательными перехо-
дами гидроксила (C–A, B–X) и могут быть свя-
заны с излучением возбужденных комплексов молекул (OH)*n (H2O) [3]. Максимальная интенсивность полос ВУФ-диапазона наблюдается, когда p(Ar) = 1,33 кПа и p(H2O) = 0,13 кПа (рис. 1а). При увеличении давления аргона
от 1,33 кПа до 2,66 кПа – интенсивность дан-
ных полос уменьшается в 2,5 раза (рис. 1б).
Увеличение парциального давления аргона до
10,66 кПа (рис. 1в) приводит к еще большему
уменьшению интенсивности ВУФ-излучения
плазмы. Наиболее сильное влияние на излуче-
ние в ВУФ-области спектра смеси Ar–H2O оказывает давление аргона. При малых давлениях
аргона наблюдаются наиболее интенсивные по-
лосы излучения ОН.
На рис. 2 приведена интенсивность полос излучения в диапазоне 150–200 нм в зависимости от парциального давления аргона при p(H2O) = 0,13 кПа. Чтобы получить наибольшую интенсивность излучения, опти-
I, отн. ед.
6000
4000
0 р(Ar), кПа 10 Рис. 2. Зависимость интенсивности излучения характеристических полос (150–200 нм) газоразрядной плазмы на смеси Ar–H2O от величины давления аргона при p(H2O) = 0,13 кПа.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
97
I, отн. ед.
5000
4000
0 0,15 р(H2O), кПа
Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения характеристических полос (150–200 нм) газоразрядной плазмы на смеси Ar–H2O от величины давления паров воды при р(Ar) = 2,66 кПа.
, отн. ед. 0,55 4
0,45
3
0,35
0,25
1
0,15
2
200 нм смеси He–H2O при p(He) = 2,66 кПа и смеси Ar–H2O при p(Ar) = 2,66 кПа, то применение Ar вместо He приводит к уменьшению интенсивности полос излучения [4].
Проведены численные расчеты электронных коэффициентов путем решения уравнения Больцмана для функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) с использованием программы Bolsig+ [5]. Расчеты проводили для смеси p(Ar)–p(H2O) в диапазоне E/N = 1–1000 Тд. Процессы, которые были учтены при решении кинетического уравнения Больцмана, для ФРЭЭ приведены в работе [4]. Максимальными были константы скорости диссоциативного возбуждения молекулы H2O. Константы скорости процессов диссоциативного прилипания электронов к молекуле воды, которые имеют наименьший порог по энергии, были наименьшими. Также была рассчитана зависимость средней энергии электронов в разряде на смеси Ar–H2O от параметра E/N. Было установлено, что по мере увеличения параметра E/N почти линейно возрастает и энергия электронов в плазме. Из рассчитанных зависимостей удельных потерь мощности разряда в смеси Ar–H2O (рис. 4) следует, что максимальными были потери мощности на возбуждение (1–3) и ионизацию (4) наиболее низких энергетических уровней воды и атомов аргона.
0,05 Заключение
100 300 500 700 900
E/N, Tд
Из исследования эмиссионных характеристик лампы импульсно-периодического
Рис. 4. Распределение удельных потерь мощ-
ности разряда на элементарные процессы
в смеси p(Ar)–p(H2O) = 1,8–0,16 кПа от параметра Е/N: возбуждение низких энергетиче-
ских уровней атомов аргона (1, 2), воды (3),
ионизация атома аргона (4).
емкостного разряда следует, что основными в спектрах смеси Ar–H2O являются полосы диапазона 175–200 нм. Данные полосы могут быть отождествлены с излучением радикала ОН. Чем меньше парциальное давление аргона, тем выше интенсивность излучения по-
лос ВУФ-диапазона. Это указывает на низкую
эффективность процесса передачи энергии от
атомов Ar в метастабильных состояниях мо-
мальное давление аргона должно составлять лекулам воды при возбуждении емкостного
0,1–0,5 кПа. Зависимость интенсивности по- разряда короткими высоковольтными импуль-
лос ВУФ-излучения плазмы от парциально- сами. Для излучения смеси аргона с парами
го давления паров воды (рис. 3) показало, что воды оптимальное давление аргона составля-
для получения максимальной интенсивности ет 0,1–0,5 кПа, а оптимальное давление паров
полос в диапазоне 150–200 нм оптимальное воды – 0,06–0,16 кПа. Полученные в пред-
давление паров воды должно составлять 0,06– ставленной работе результаты могут быть ис-
0,16 кПа.
пользованы при расчетах кинетики процессов,
Если сравнить зависимости спектральных развивающихся в ВУФ-лампе при емкостном
полос излучения в диапазоне длин волн 175– разряде.
*****
98 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
ЛИТЕРАТУРА
1. Вуль А.Я., Кидалов С.В., Миленин В.М., Тимофеев Н.М., Ходорковський М.А. Исследование тлеющего разряда в смеси аргона с гидроксилом ОН // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. № 8. С. 62–63.
2. Вуль А.Я., Кидалов С.В., Миленин В.М., Тимофеев Н.М., Ходорковський М.А. Новый эффективный газоразрядный источник оптического излучения низкого давления на основе гидроксила ОН // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. № 1. С. 10–16.
3. Шуаибов А.К., Шимон Л.Л., Дащенко А.И., Шевера И.В. Электроразрядный ВУФ-излучитель на парах воды // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. № 115. С. 46–50.
4. Шуаибов А.К., Миня А.И., Малинин А.Н., Гомоки З.Т., Грицак Р.В. ВУФ-лампа с накачкой емкостным разрядом на смесях инертных газов с молекулами воды // Журнал прикладной спектроскопии. 2011. Т. 78. № 6. С. 927–931.
5. http://siglo-kinema.com/bolsig.htm.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
99