管壁厚度和方波電源頻率對氯化氪準分子燈效率的影響

莊曉波 朱紹龍 張善端

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 引言

準分子是一種處于激發狀態的雙原子分子(excited dimmer，簡寫為excimer)，不存在穩定的基態。通常情況下，準分子存在時間為納秒量級，然后通過自發輻射的方式躍遷回到能量較小的狀態時就會輻射出光子，同時分解為原子。

表1 稀有氣體鹵化物準分子的輻射波長 (nm)

準分子光源的用途可分為兩大類。第一類是照明用途，即可以把準分子光源做成對環境無污染的無汞光源，如(172nm)用做平面照明光源;另一類是非照明用途，即紫外光源。與傳統低壓汞燈的汞原子光譜相比，準分子由于沒有穩定的基態，不存在基態的自吸收，因此準分子燈可以很大的功率密度發射窄帶輻射。

準分子紫外光源的放電形式有多種多樣，其中包括高氣壓輝光放電、介質阻擋放電、高頻電容放電、微波放電以及空心陰極放電等，它們都能有效地激發準分子發光。其中，介質阻擋放電 (DBD)由于其結構簡單、經濟實用，在研究和應用中被大量采用。由DBD驅動的準分子燈無內電極，避免了電極與等離子體接觸后發生的腐蝕和濺射，是一種潛在的長壽命紫外光源，還可根據各種需求改變形狀和尺寸。

大多數光化學和光物理應用都需要在特定波長區域有強輻射。比如低壓汞燈的254nm輻射適用于大部分場合，但這個波長對去除氯脂化合物完全無效［15］，原因是它與氯脂化合物在210～230nm的吸收峰不匹配。KrCl*準分子燈的222nm窄帶輻射被含氯烴吸收的效率很高，可用于光氧化四氯乙烯、三氯乙烯、二氯乙烯、氯乙烯以及一些飽和氯代烴類［16］，已被證明在水處理和空氣凈化等方面有很大的用處［17，18］。

KrCl*準分子燈多為同軸結構的DBD驅動，但管徑、最佳充氣條件和電源都不一樣。一些研究小組給 出了 KrCl*準分子燈的效率［8～11］。Zhang 等人［8］報道在射頻驅動下 KrCl*準分子燈可以達到最大效率15% (電壓3.5～10kV，頻率125～375 kHz，氯氣壓15 Torr，總氣壓225 Torr)。但在文獻 ［9～11］，最佳效率為10% ～15%，最佳充氣壓分別是200 Torr(Kr∶Cl2=200∶(1 －0.5))，150 ～200 Torr(Kr∶Cl2=100∶1)，以及 500 Torr(Kr∶Cl2=50∶1)。值得注意的是文獻 ［8，9］報道了采用水冷方式以獲取更高效率。

由于很難對222nm的輻射功率進行精確測量，所以各個研究小組最佳參數和最佳效率相差很大［18］。在文獻 ［8］，用化學方法即用尿苷來測量222nm的絕對輻射強度;而在文獻 ［9～11］，則通過已定標過的FEK-22 SPU光敏二極管配合示波器測得222nm的輻射功率。本文提出一種測量KrCl*準分子燈效率的輻射測量方法，即測定紫外輻照度，再用Keitz公式［19］計算出輻射功率。Keith公式已被國際紫外線協會 (IUVA)推薦用于低壓汞燈254nm輻射功率的測量［20］，本實驗首次把它運用于測量KrCl*準分子燈222nm的輻射功率。

2 實驗

2.1 KrCl*準分子燈的制備

氯化氪準分子燈是同軸的雙層石英套管，其結構圖如圖1所示，外層石英管外徑為40mm，壁厚分別為1.2、1.5、2.0mm，管長400mm;內層石英管內外徑分別為14/16mm，壁厚為1.0mm，管長500mm。內外管徑為37/40，36/40和14/16mm的石英管是GE214石英，而內外管徑為37.6/40mm的石英管是Heraeus石英。3種壁厚的石英玻璃在190～350nm的透過率如圖2所示，它們在222nm處(圖中虛線)的透過率分別為85.0%，81.3%和67.6%。外電極為不銹鋼網，內電極為不銹鋼片。石英套管的環狀間隙分別為10.8，10.5和10.0mm，充有高純氯氣和氪氣。

圖1 KrCl*準分子燈結構圖

圖2 三種壁厚的石英玻璃在190～350nm的透過率

圖3 實驗裝置示意圖

2.2 實驗裝置和測量方法

實驗裝置如圖3所示。準分子燈水平地擱置在兩個聚四氟乙烯支架上，并由方波電源 (頻率40～70 kHz可調)驅動。用高壓探頭 (Tektronix P6015A)和電流探頭 (Pearson P4100)，配合數字存儲示波器 (Nicolet Sigma 60)測量準分子燈的電壓、電流波形。紫外輻照度計探頭 (Hamamatsu H8025-222)和紫外輻照度計 (Hamamatsu C8026)用于測量222nm的輻照度。探頭可沿著導軌移動。為了盡量減少反射光，探頭周圍的所有反射面都包裹上可吸光的黑色天鵝絨布。電源的導線盡可能短，以減少輸入功率的損耗。

(1)輸入功率

準分子燈的輸入功率Pin由瞬時功率 (即電壓電流瞬時值乘積)直接積分得出，

式中u是瞬時電壓，i是瞬時電流，T是周期，N是周期內的采樣次數，Δt是采樣時間間隔。當電壓電流波形存儲到示波器，輸入功率就可以由式 (1)計算得出。為了提高計算的精度，至少采樣兩個周期的數據。

(2)輻射功率

因為準分子燈的直徑遠小于其長度，所以可以把它看成線光源，222nm的輻射功率Prad可由Keitz公式計算得出［19，20］，

式中E是測量得到的輻照度 (W·m－2)，D是燈中心到紫外探頭的距離 (m)，L是燈的發光長度 (m)，α是半頂角，如圖4所示，即tgα=L/(2D)。

圖4 燈和紫外探頭的幾何位置示意圖

222nm輻照度由垂直于KrCl*準分子燈的紫外輻照度計測得。因為D≥2L，所以紫外探頭滿足余弦定律［20］。輻照度計采樣頻率是1個/s，至少采樣120個。

(3)紫外效率

根據上面算得的紫外輻射功率Prad和輸入功率Pin，我們就可以根據式 (3)得出222nm的輻射效率

可據此找出準分子燈的最佳參數，如總氣壓、氯分壓、壁厚、放電間隙、輸入功率等。

3 結果和討論

3.1 KrCl*準分子燈的光譜

KrCl*準分子燈光譜由CCD光譜儀測得 (OceanOptics HR4000 CG-UV-NIR)，并用標準氘燈定標(Mikropack DH2000-CAL)。圖5是 KrCl*準分子燈在方波電源驅動下的光譜，輸入功率300W，它在200～1000nm范圍內只有222nm這一根強線，且半值全寬度 (FWHM)為1.73nm。在750～900nm有幾根弱的氪原子譜線。

圖5 KrCl*準分子燈的光譜，燈功率400W

3.2 輸入功率

方波電源功率300W時，燈的電參數波形如圖6所示，電壓電流波形有一些阻尼振蕩，電流比電壓超前 0.18 μs。電壓波形上升時間是 0.56 μs，頻率是50 kHz。當功率從100W到500W逐步增大，電壓的峰-峰值從6.73增大到11.73kV，電流有效值從0.28到0.73 A變化。準分子燈的絲狀放電現象如圖7所示，放電絲圍繞著環狀放電間隙旋轉，也就是說放電絲在一個地方產生，在另一個地方消失。而有些細絲從接高壓電極的一端向另一端漂移。當功率低于300W時，下部的放電絲明顯比上部少，但當功率大于300W時，下部細絲增多，從而使整個放電看上去比較均勻。大部分放電絲的形狀是線狀，但小部分絲在外管壁處有分叉。

圖6 壁厚1.2mm的KrCl*準分子燈的瞬時電壓、電流和功率波形圖

3.3 輻照度和輻射功率

(1)輻照度隨時間的變化

準分子燈的發光長度是32cm。燈在密封的房間內工作，且沒有采取任何冷卻措施。在輸入功率300W時，用一熱成像儀 (Fluke IR FlexCam Ti45)測量燈的管壁溫度，10min內穩定在約144℃，其熱成像圖如圖8所示。輻照度隨時間的變化如圖9所示，當等離子體穩定后，管壁溫度也趨向穩定。當燈被點亮后并逐步變熱，輻照度會減少，這是因為形成KrCl*準分子的反應系數在高溫下減小。

初始、最高、最低和穩定的輻照度值如表2所示。穩定后的輻照度值與初始值之比Esta/E0=0.967，這表明方波電源的初始值非常接近穩定值，也就意味著在144℃下準分子的復合和離解系數與室溫相比變化不大。

表2 準分子燈的初始、最高、最低和穩定的輻照度值

(2)測量距離對Keitz公式的影響

測量距離對輻射功率的影響如圖10所示。結果表明，從Keitz公式計算得出的輻射功率在測量距離50，80，100cm時變化很小 (<3%)。因此后面測量準分子燈效率時把燈與探頭的距離固定在80cm。

圖7 方波電源驅動下準分子燈的放電現象

圖8 KrCl*準分子燈熱成像圖

圖9 KrCl*準分子燈輻照度隨時間的變化

3.4 輸入功率對效率的影響

圖10 KrCl*準分子燈輻射功率隨測量距離的變化 (輸入功率300W)

圖11 KrCl*準分子燈效率隨輸入功率的變化

根據3.2和3.3節所得到的數據，計算了3種壁厚的KrCl*準分子燈222nm在方波電源驅動下5個設定功率的輻射效率。輸入功率對輻射效率的影響如圖11所示。當功率大于200W，222nm的輻射效率明顯減小，這個趨勢與 Panchenko等人［10］的結論相吻合。這種現象可以由形成KrCl*準分子的反應動力學過程來解釋。KrCl*準分子的產生方式可以是氪離子、氯離子和中性原子之間的三體碰撞，

也可以是 Harpooning 反應［4，8，10－11］，式中M是三體碰撞粒子，可為原子、分子或者其他粒子。當功率增大時，電流和電子濃度增加導致Kr*的逐級電離和氯分子的減少。在150 Torr這一相對較低的氣壓下，占主導地位的形成機制是Harpooning反應 (式5)。因為逐級電離導致 Kr*的減少和高能電子導致氯分子的解離，222nm輻射將隨著功率增大而減少，因此效率下降。

3.5 頻率對效率的影響

方波電源的頻率對三種壁厚的 KrCl*準分子燈效率的影響如圖12～圖14所示。對壁厚為1.5和2.0mm的KrCl*準分子燈來說，頻率對效率幾乎沒有影響。但對于1.2mm的KrCl*準分子燈來說，70 kHz下工作更好，因為這時效率高。

圖12 壁厚1.2mm的KrCl*準分子燈效率隨頻率的變化

圖13 壁厚1.5mm的KrCl*準分子燈效率隨頻率的變化

圖14 壁厚2.0mm的KrCl*準分子燈效率隨頻率的變化

3.6 管壁厚度對效率的影響

如圖11，圖15所示，壁厚為1.2mm的KrCl*準分子燈在方波電源驅動下有著最高的效率。原因可能是薄管壁使222nm的輻射吸收小，并且在高頻高壓下介質熱損耗小。透過率τ可由下式得出:

式中n是折射率，α是吸收系數，t是管壁厚度。對于 GE 214石英，n=1.491，α=0.65cm－1，從式(6)計算得出壁厚為1.2，1.5和2.0mm的透過率分別為85.4%，83.8%和81.1%。

從表3可以看出壁厚為1.2和1.5mm的石英管來說，計算得出和測量所得的透過率非常吻合，且都大于80%。但對于壁厚為2.0mm的石英管來說，透過率的計算值和測量值相差很大，可能因為其金屬雜質、結構缺陷和羥基含量多一些。

表3 石英管在222nm的透過率

圖15 壁厚對KrCl*準分子燈效率的影響 (頻率50 kHz)

4 結論

本文研究了 KrCl*準分子燈的輻射特性。在方波電源 (重復頻率40～70kHz)的驅動下，隨著功率的變大，電壓的峰-峰值從 6.73kV增大到11.73kV，電流有效值從0.28A到0.73A變化。放電絲圍繞著環狀放電間隙旋轉，當功率大于300W時，整個放電看上去比較均勻。1.2mm壁厚的KrCl*準分子燈在頻率 40kHz，功率 200W 時，222nm的輻射效率達到最佳值8.1%。

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