納秒脈沖電源驅動提高KrCl*準分子燈輻射效率的實驗研究

陳古源 高嵐 莊曉波 張善端 劉克富

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 引言

近年來，紫外光源技術已成為微電子、醫藥、化工、衛生和環保等領域中基礎性的和關鍵性的技術。所有這些應用均要求光源有較窄的輻射光譜和一定的輻射光強度。例如在環保領域，只有在紫外輻射的波長與待處理的有機物吸收波長相匹配的情況下，處理效率才能達到最大。傳統的低氣壓汞燈發射的紫外光譜只有185nm和254nm兩條可用，而惰性氣體燈輻射的紫外光強又相對較弱，不符合應用的要求。

介質阻擋放電能夠激發生成各種波長的高效準分子紫外輻射，基于此而制成的準分子紫外光源完全滿足實際應用的需要。但是目前紫外準分子燈的紫外輻射效率仍然相對較低。一些研究者也對提高稀有氣體—鹵素準分子光源的效率進行了研究，但是很多都是改進幾何結構以及尋找最佳充氣壓和稀有氣體鹵素最佳配比等。很少有文獻指出驅動電源的參數對于輻射效率的影響。為了尋找更加合適的電源參數以提高準分子燈的工作效率，本文進行了實驗研究，分析不同電源參數 (激勵類型、極性、頻率、幅值等)對于KrCl*準分子燈的工作特性的影響并作了簡要分析。

2 實驗架構

2.1 測量方法

對222nm的輻射功率進行精確測量比較困難，所以各個研究小組最佳參數和最佳效率相差很大。在文獻［1］，用化學方法測量 222nm的絕對輻射強度;而在文獻［2］，則通過已定標的光敏二極管配合示波器測輻射功率。本實驗采用［3］中的測量方法，通過測定紫外輻照度，再用 Keitz公式［4］計算出輻射功率。

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。

式中，E——測量得到的輻照度 (Wm－2);

D——燈中心到紫外探頭的距離 (m);

L——燈的發光長度 (m);

α——半頂角，如圖1所示。

根據Keitz公式測得輻射功率后，再通過示波器獲得電壓電流波形，積分就可以得到準分子燈的輸入功率。

式中，u——瞬時電壓;

圖1 燈和紫外探頭的測量示意圖

i—— 瞬時電流;

T—— 周期;

N——周期內的采樣個數;

Δt——間隔時間。

最后根據得到的紫外輻射功率Prad和輸入功率 Pin，我們就可以根據式得出準分子燈222nm的紫外輻射效率:

從而根據對比不同電源工作下輻射效率的高低，尋找出電源參數對于準分子燈工作特性的影響。

2.2 實驗裝置

實驗中使用的準分子燈，充氣壓:150托，壁厚:1.5mm，用不同的電源驅動。用高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭 (Pearson P4100)配合示波器 (Tektronix DPO 4032)測量電壓電流波形。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。

實驗中使用的納秒脈沖電源是先前我們自行設計的，具體參數如表1所示，典型波形如圖2所示

表1 納秒脈沖電源參數表

3 實驗結果

設計了幾組對比實驗，首先比較了正弦電源和脈沖電源對準分子燈工作的影響，然后就脈沖電源極性、電壓幅值、工作頻率等參數的影響進行了比較研究。

圖2 脈沖電源的典型波形圖

3.1 激勵類型

分別使用正弦電源和脈沖電源驅動準分子燈，兩種電源的電壓幅值均為6kV。實驗結果如表2所示。

表2 激勵類型對于準分子燈的特性影響

根據實驗結果，可以得出在相同的電壓驅動下，兩者紫外輻射強度接近，但脈沖電源消耗的電功率明顯低于正弦電源消耗的電功率。因此，用納秒脈沖驅動準分子燈，紫外輻射的效率較高，和正弦驅動相比，效率提高86.5%。

用納秒脈沖驅動準分子燈可以獲得更高的效率，因為在快脈沖激勵下，可以有效減小電子與原子或分子之間發生彈性碰撞的概率，從而將主要能量直接加到電子上，有利于激發原子和分子。

3.2 電源極性

在電壓幅值為5kV，頻率50kHz條件下實驗分別對比了在不同極性的電源驅動下，準分子燈的紫外輻射效率。實驗數據如表3所示。

表3 電源極性對于準分子燈的特性影響

雙向脈沖電源驅動下，一個周期內有兩次放電，放電功率與紫外輻射功率都相應比單向脈沖高，而紫外輻射的效率與單向脈沖比較接近，單向負脈沖驅動效率略高一些。這一結果與文獻［5］中的結論一致。

脈沖電源的極性不同，對于介質阻擋放電的特性并沒有顯著的影響，因此產生準分子的等離子體化學過程同樣沒有明顯的差別，相應的也沒有影響燈的工作特性。實驗中單向負脈沖效果略好一些，可能是因為在負高壓脈沖放電過程中，電源能饋入更多的能量。

3.3 電壓幅值

為了比較電壓幅值對于紫外準分子燈工作特性的影響，在工作頻率50kHz、單向負脈沖條件下，分別對比了在不同電壓幅值驅動下的準分子燈的工作特性。具體結果如圖3所示。

圖3 電壓幅值對于準分子燈的特性影響

從實驗數據可以看出，隨著電源電壓幅值的增加，準分子紫外輻射強度相應提高，但能量轉換效率隨之下降。

紫外輻射功率隨著電壓的升高而升高，這是因為電壓幅度的增加，放電過程中有更多的能量引起激發和電離反應，即產生的KrCl*準分子數量增加，準分子輻射強度隨之增加。

紫外輻射效率隨著電壓的升高而減少，即消耗電功率增加的速率超過了紫外輻射功率增加的速率。這是由于電壓增加而相應增加的電功率，一部分用于增加紫外輻射功率，但是大部分能量轉變成熱能，進而導致了能量轉換效率的下降。

3.4 脈沖頻率

類似的，為了比較電源頻率對于紫外準分子燈工作特性的影響，在工作電壓5kV、單向負脈沖條件下，分別對比了在不同工作頻率下的準分子燈的工作特性。具體結果如圖4所示。

圖4 脈沖頻率對于準分子燈的特性影響

實驗發現，隨著脈沖電壓頻率的升高，紫外輻射功率隨之增加，且基本成一線性關系;紫外輻射效率隨頻率升高變化不明顯，50kHz略好一些。

脈沖電源的頻率上升，單位時間內放電的次數增加，紫外光輸出提高。但相應消耗的電功率也增加。而從實驗結果看出，紫外輻射效率隨頻率變化幾乎不變。

4 分析

實驗中得到的納秒脈沖電源驅動效率高于正弦電源驅動，結果可以從以下兩個方面進行解釋。第一，兩者電源相比，納秒脈沖電源有著更快的電壓時間梯度即更高的du/dt。上升沿陡直，電子在高的約化電場 (E/n)作用下獲得足以電離氣體中原子或分子的能量，有利于激發電離原子和分子并相應產生準分子，輻射紫外光。上升沿陡直，電壓上升的時間很短，在這較短的時間內，電子和原子或分子發生彈性碰撞的次數將會減少，而這部分能量將轉化為熱能耗散出去。第二，從介質阻擋放電的放電類型的角度，陡直的下降沿會使儲存在空間和介質表面累積電荷中的能量瞬間釋放并在氣體中引發二次放電。脈沖電壓驅動的DBD中存在二次放電現象，以起到自擦除效應，消除記憶電荷的影響［6］。從二次放電的過程中，電子同樣可以獲得能量激發原子分子。而正弦驅動時，由于緩慢的下降沿，觀察不到二次放電的產生，記憶電荷將對放電產生影響。即先前放電沉積在介質表面的電荷對隨后的近鄰放電有屏蔽作用，其中的約化場強有所變化，導致在同一電壓半周期中后階段微放電通道中激發和電離程度下降;功率增加的速率超過了光輻射強度的變化，而場能大部分轉變成熱能，進而導致了能量轉換效率的下降。

另外實驗中還得到，脈沖電源的頻率并不影響紫外輻射的效率。這一結論與正弦電源驅動下的結果不同。準分子燈在正弦電壓驅動下，較高的工作頻率有著較高的效率［5］。因為對于正弦電壓驅動，更高的頻率并不只意味著單位時間內放電次數的增加，還意味著更高的電壓的時間變化率。電壓時間變化率du/dt提高，正如前面的分析，可以有效減小電子與原子或分子之間發生彈性碰撞的概率，從而將主要能量直接加到電子上，有利于激發原子和分子。因此，增加正弦驅動電壓的頻率會有助于提升轉換效率。而對于脈沖電壓驅動的情形，頻率的高低不會影響電壓的時間變化率，即不會影響電壓的上升沿和下降沿。提高頻率僅僅只是增加了單位時間內的放電次數，介質阻擋放電類型并沒有改變，對紫外輻射效率的影響也很小。

5 結論與展望

上述實驗結果表明，電源因素對紫外準分子燈光輻射的影響可初步概括為如下幾點:

納秒脈沖電源驅動紫外準分子燈的紫外輻射效率，比正弦電壓驅動有顯著提高;脈沖電源的極性對燈的工作特性沒有顯著的影響;增加電源電壓幅值可提高準分子紫外輻射強度，但紫外輻射效率下降;脈沖電源的頻率增加，紫外輻射強度相應增加，而紫外輻射效率基本不變。

由于實驗條件所限，本次實驗并未比較脈沖上升沿對于紫外準分子燈輻射效率的影響，下一步將繼續進行更快參數脈沖驅動下的改善準分子燈效率的研究。

［1］Zhang JY，Boyd IW．Efficient excimer ultraviolet sources from a dielectric barrier discharge in rare-gas/halogen mixtures［J］．J Appl Phys，1996，80(2):633～638．

［2］Lomaev M I，Tarasenko V F，Shitts D V．An effective high-power KrCl*excimer barrier-discharge lamp ［J］．Technical Physics Letters，2002，28(1):33～35．

［3］莊曉波，朱紹龍等．管壁厚度和方波電源頻率對氯化氪準分子燈效率的影響 ［J］．照明工程學報，2010，6．

［4］Keitz H A E．Light Calculations and Measurements［M］．London ，UK:Macmillan and Co Ltd，1971．

［5］徐金洲，梁榮慶等．電源對介質阻擋放電 (DBD)激發準分子 (XeCl*)輻射的影響［J］．真空科學與技術學報，2002，5．

［6］Shuhai Liu， Manfred Neiger． Electrical modelling of homogeneous dielectric barrier discharge under an arbitrary excitation voltage［J］．J Appl Phys．36(2003):3144 ～3150．