外光源的实验研究

介质阻挡放电激发XeI*准分子紫外光源的实验研究李朝阳，陈强，代立新，林辉创北京印刷学院等离子体物理与材料研究室，北京，102600摘要：采用石英做介质阻挡层，对高气压XeI*准分子紫外光源进行了实验研究，从放电功率、放电频率、总气压、气体配比等参数分析了光源的工作特性，其最佳工作参数为总气压320Torr、I2分压0.37%，电源频率58.7kHz。在此条件下当放电电压4.6kV、功率66W时，在距光源8.5cm处得到的紫外光辐射强度为31.2W/cm2，结合石英管结构参数和放电条件，经计算获得的光源转化效率为2.2%。关键词:介质阻挡放电，准分子光源，XeI，转化效率中图分类号：O53文献标识码：ATheexperimentalstudyonXeI*excimerUVlightsourcestimulatedbydielectricbarrierdischargeLiChaoyang,ChenQiang,DaiLixin,LinHuichuangPlasmaphysicsandmateriallaboratory,BeijingInstituteofGraphicCommunication,Beijing,102600Abstract:AnexperimentalstudyonXeI*excimerUVlampstimulatedbydielectricbarrierdischarge(DBD)wasinvestigated.Byusingquartzasdielectricbarrierlayer,theworkingparametersofthislampwereanalyzedfromtheappliedpower,dischargefrequency,totalpressureandtheratioofmixturegases.Theoptimumconditioncamewithtotalpressure320Torr,0.37%iodineratioand58.7kHz’sfrequency.Undertheappliedvoltage4.6kV,power66W,anUVradiationintensityof31.2W/cm2wasobtainedatthedistanceof8.5cmfromthequartztube.Combiningtheconfigurationandinjectedpower,wecalculatedtheconversionefficiencyofthelampthatwas2.2%.Keywords:DBD，excimerlightsource,XeI,conversionefficiency1、引言近年来大面积长寿命高效紫外光源的研究得到了人们的广泛关注，新型紫外光源的开发有望在环保、能源、光固化、医疗杀菌、照明等方面获得重要应用，其中介质阻挡放电（DBD）激发准分子光源有着光谱单色性好，紫外发光效率高，容易实现大面积辐射，通过调整放电气体配比和种类可获得特定波长的光辐射，光源寿命长等诸多优点[1-3]，国内外近来对此方面的研究报道逐年增多，研究重点主要是探索准分子的激发机制，拓展辐射波长至真空紫外波段，针对光源稳定性、转换效率和寿命的相关研究[4，5]。国内对DBD放电光谱分析和材料改性方面的研究很多，但DBD准分子光源的研究还开展较少，同国外有一定的差距。本文利用kHz低温等离子体电源采用双层石英做介质阻挡层对XeI准分子光源进行了实验研究，获得了XeI准分子光源的辐射光谱，从放电功率、放电频率、总气压、气体配比等参数对XeI准分子光源的辐射效率和发光强度进行了分析。采用紫外光辐照计测量了XeI准分子光源的照度，结合光源具体结构参数和放电条件，得出光源的转化效率为2.2%，并提出了提高光源的稳定性和转换效率的途径和方法。XeI准分子光源的特征辐射主峰波长在253nm，与低压汞灯的原子线辐射峰254nm非常接近，是取代低压汞灯的最佳选择之一，是一种完全满足绿色环保要求的光源。本工作也对准分子光源的发光机理研究有一定的意义。基金项目：北京市教委科技面上项目(KM200710015002)和北京印刷学院青年基金(E-b20060021)支持。作者简介：李朝阳(1973、12～),男,汉，籍贯山西省临汾市，博士，讲师，主要从事等离子体光源与光谱学方面的研究。邮件：[e-mail]。2、实验图1是本实验的装置示意图，整个系统由四部分组成，即真空配气系统、石英管放电系统、电源激励系统及功率和光谱测量系统。实验真空系统采用一台韩国优成3升机械泵抽气，本底真空为2Pa。由于氙气较贵，在实验准备过程中，首先用He对石英放电管进行清洗。进气量由质量流量计控制。真空放电室由内外两个石英管相互嵌套而成，外管和内管外径分别为30mm和16mm，壁厚1.5mm，灯管长度为100mm。实验所用的激励电源是南京苏曼电子公司生产的CP-1200型低温等离子体电源，波形为正弦波，频率从20KHz到100KHz连续可调，电源最大输出功率为500W。放电光谱由美国Andro公司Gis350I型光纤CCD光谱仪测量，CCD曝光时间0.02ms，狭缝宽度0.5mm。测量光源功率利用北京师范大学光电仪器厂生产的FZ-a型紫外可见光辐照度计完成，在垂直石英放电管方向一定距离上放置光电转换器件，得到该点的光辐射功率密度，为保证输出紫外光辐射，靠近发光管处用一个400nm的截止滤光片对输出光进行选择。实验所用气体He气和Xe气购自北京特种氧气厂，纯度≥99.99%，I2从北京试剂公司购买。实验中I2的引入通过将碘瓶置于温度可控的水浴中进行，在不同温度下对应碘的不同饱和蒸汽压，整个气路采用铜管做导管并用加热带辅助加热，以防止碘的凝结。本实验中XeI*准分子光源工作在高气压范围，真空计在此条件下不能工作，在系统中用一个真空压力表来做气压测量。3、结果和讨论3.1、高气压DBD激发XeI准分子光源的放电光谱在高气压Xe与I2混合气体的介质阻挡放电中，在气体击穿初期，体系中存在大量的电离和激发过程。由于Xe与I2粒子密度相差很大，电子直接与Xe中性粒子比直接与I2中性粒子作用的机率高得多。在这过程中，电子从电场中吸收的能量大部分都通过碰撞传输给了Xe原子，这些激发态原子或离子将能量储存下来，易于与其他物质发生化学反应,生成新的物质。同时在等离子体过程中碘的化学性质也被活化，可以与氙的激发态原子或离子发生反应，从而导致XeI准分子的形成。图2为气压在320Torr时获得的XeI的荧光发射谱，由图可见在253.2nm处存在较强的发射谱线,根据PaulN.Barnes[6]和JunyingZhang[7]提供的势能曲线可知它对应于XeI准分子B1/2→X1/2的跃迁。同时,在320nm处也存在一微弱的峰,它对应于C3/2→A3/2的跃迁。从图2还可看到，在342nm出现了较强的二价碘正离子辐射光谱，这是因为在碘气路中未安装流量控制，放电室中存在过量碘的放电所致。此外，在Xe和I2混合气体放电中，除了有大量的XeI准分子形成外，还有一定量的Xe2*准分子存在，图中对应着图1、准分子光源实验装置图，图中：1-碘瓶；2-水浴；3-真空阻隔阀；4-机械泵；5-滤光片图2、XeI准分子辐射光谱322.4nm,356.4nm，360.5nm放电峰[8]，这些Xe2*准分子在碰撞过程中退激发回到基态，对XeI准分子的生成不利。3.2、总气压和气体比例对XeI准分子光源的影响在放电电压4.6KV，电流峰值0.37A时，测量了不同放电总气压下的紫外光功率密度，结果示于图3。实验发现辐射功率先是随气压的增大而增加，到达某一极大值后随之下降，在320Torr气压时XeI准分子光源的辐射最强。这是因为在较低气压下，系统发电模式为辉光放电，随着总气压的升高，电子与氙之间的碰撞几率逐渐增大，促进了亚稳态粒子数密度的增加，从而有利于准分子的形成。但当总气压过高时，实验发现放电模式转变为弥散丝状放电，放电管的辐射不均匀导致辐照计探头接收效率下降，因此测得发光功率呈下降趋势。在固定160Pa的碘分压下，通过改变氙气流量，从而改变放电气体中碘的比例，测量在相同放电功率下碘配比对准分子自外光源发光强度的影响，如图4所示。由图可知，在0.2%-0.37%比例范围内，UV辐射强度随I2蒸气压升高迅速增强，之后随着I2分压的增大放电强度降低，I2蒸气压与Xe气压的理想比例是0.37%。3.3、电源功率同光源发光强度的关系在KHz正弦波电源激励下，DBD光源可看做良好的容性元件，其上消耗的电源功率可由示波器测得的电压、电流瞬时功率与功率因数的乘积给出，功率因数由电压电流的相位差决定。图5所示是在总气压230Torr、I2分压160Pa下准分子光源紫外发光强度随不同注入功率的变化关系。由图可见，光强与激励功率近似成线性关系。这是因为在230Torr介质阻挡放电情况下，气体击穿后为辉光放电模式，可近似认为放电管为一良性导体，其上消耗功率与入射功率近似成正比关系。3.4准分子光源发光效率图5、紫外发光强度随电源功率的变化关系图3、紫外辐射功率与气压的关系图4、UV功率与碘分压比的关系根据辐照度学相关原理，在距离发光面一定距离处的光亮度是发光体上任一小面元积分作用的结果。实验中具体参数为，光源经截止滤光片滤去长波组分后，在距离发光管8.5cm处辐照度计测得的照度值为31.2W/cm2，放电功率Prf为66W。在我们已有的结果中，对氮气射频光源的转换效率进行了计算[9]，采用该方法并结合放电管几何尺寸，可以计算出XeI准分子光源的光功率Pop为1.45W。光源的效率定义为光辐射功率与输入射频功率的比值，因此光源效率=2.2%。4、结论采用DBD放电产生XeI准分子光源是替代含汞光源的理想选择，同时具有辐射线宽窄，效率高，稳定性好等优点。本文研究了高气压XeI*准分子紫外光源的工作特性，从放电功率、总气压、气体配比等方面分析了影响XeI*准分子辐射的因素。实验得出其最佳工作参数为总气压320Torr、I2分压0.37%，电源频率58.7kHz。在此条件下当放电电压9.2kV、功率66W时，在距光源8.5cm处得到的紫外光辐射强度为31.2W/cm2，结合石英管结构参数和放电条件，经计算获得的光源转化效率为2.2%。参考文献：1、KenjiToda,RecentresearchanddevelopmentofVUVphosphorsforamercury-freelamp[J],JournalofAlloysandCompounds,408–412,2006:p665–6682、OuQiong-rong,MengYue-dong,Xuxu,etal.,EffectoffrequencyonemissionofXeIexcimerinapulseddielectricbarrierdischarge[J],Chin.Phys.Lett.,21(7),2004:p1317-13193、Jun-YingZhang,IanW.Boyd,LifetimeinvestigationofexcimerUVsources[J],AppliedSurfaceScience,168,2000:p296-2994、N.Masouda,K.Martus,K.Becker,Vacuumultravioletemissionsfromacylindricaldielectricbarrierdischargeinneonandneon–hydrogenmixtures[J],InternationalJournalofMassSpectrometry,233,2004:p395–4035、RPMildrenandRJCarman,Enhancedperformanceofadielectricbarrierdischargelampusingshort-pulsed