Высокочастотный разряд низкого давления в смесях инертных газов и галогенов как активная среда мощных источников ультрафиолетового излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Пелли Александр Витальевич

• Пелли Александр Витальевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Пелли Александр Витальевич

Введение

0.1 Эксимерные лампы

0.2 Применение эксимерных источников

0.3 Типы возбуждения эксимерных ламп

0.3.1 Разряд постоянного тока

0.3.2 Барьерный разряд

0.4 Альтернативные источники УФ-излучения

0.5 Безэлектродный ВЧ разряд, возбуждаемый индуктором

0.6 Особенности моделирования ЭО плазмы

0.6.1 Гидродинамическое приближение

0.6.2 Кинетическая модель

0.6.3 Обобщение выбора математической модели

Глава 1. Емкостной ВЧ разряд «конденсаторного типа»

1.1 Одномерная задача

1.1.1 Исходные данные

1.1.2 Особенности решения

1.1.3 Результаты расчетов одномерной модели

1.1.4 Обсуждение результатов

1.2 2Э модель емкостного разряда

1.2.1 Постановка задачи

1.2.2 Влияние геометрии ЭО ВЧ разряда на излучательные характеристики

1.2.3 Вынужденная диффузия

1.2.4 Обсуждение результатов

Глава 2. Расчет параметров соленоидального индуктора

2.1 Введение

2.2 Расчетная модель

2.3 Квазистатический потенциал и собственная емкость

2.4 Потенциальное электрическое поле и «межвитковая емкость»

Стр.

2.5 Оценка элементов эквивалентной схемы индуктора

2.6 Обсуждение результатов

2.7 Заключение к главе

Глава 3. Экспериментальные исследования

3.1 Описание экспериментальной установки

3.2 Подготовка к работе

3.3 Снятие радиальных профилей излучения

3.4 Методика эксперимента

3.5 Результаты измерений радиальных распределений интенсивности излучения ВЧ разряда

3.6 Обратное преобразование Абеля

3.7 Заключение к главе

Глава 4. Численное моделирование

4.1 Модель ВЧ разряда при реальной геометрии эксимерных ламп

4.1.1 Постановка задачи

4.1.2 Верификация модели

4.1.3 Обсуждение результатов

4.2 Оптимизация параметров напуска газовой среды разряда

4.2.1 Оптимизация состава смеси

4.2.2 Определение оптимального давления напуска

4.3 Заключение к главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокочастотный разряд низкого давления в смесях инертных газов и галогенов как активная среда мощных источников ультрафиолетового излучения»

Введение

Источники некогерентного узкополосного непрерывного излучения ультрафиолетового (далее — УФ) и вакуумно-ультрафиолетового диапазонов (далее — ВУФ) находят широкое применение в фотохимии, полупроводниковых технологиях, медицине, биологии. Долгое время наиболее эффективными источниками УФ излучения оставались ртутные лампы, обладавшие высоким кпд (до 60%) и широким диапазоном излучательных мощностей вплоть до нескольких кВт. Однако такие лампы обладают серьезным недостатком, а именно наличием токсичной ртути в составе газовой смеси, что определяет вредность производства и усложняет утилизацию уже отработанных ламп. Вступление в силу Минаматской конвенции о ртути ограничивает применение и реализацию содержащих ртуть источников оптического излучения. Стоит добавить, что для некоторых технологий микроэлектроники спектр ртутных ламп не является оптимальным. Задача создания и совершенствования безртутных экологически чистых источников УФ излучения остается актуальной и на сегодняшний день. К наиболее перспективным альтернативным источникам мощного УФ излучения можно отнести эксимерные лампы. Эмитирующими частицами в них являются эксимерные молекулы, в частности, изучаемые в настоящей работе хлориды инертных газов. Работы по изучению эксимерных ламп начались сравнительно недавно. Разделяют несколько типов таких ламп в зависимости от типа возбуждения: разрядом постоянного тока (далее — РПТ) [1], индуктивным разрядом [2], барьерным разрядом (далее — БР) [3]. Экси-мерные лампы, возбуждаемые РПТ или БР, уже активно используются на практике как безртутные источники узкополосного УФ излучения. Можно выделить такие области применения эксимерных ламп в настоящее время как медицина, фототерапия, дезинфекция, очистка поверхностей, модификация полимерных покрытий, УФ-отверждение печатных красок, лаков, покрытий и клеев, полупроводниковые технологии (УФ-стимулированное осаждение материалов, травление материалов) и т.д.

Источники на РПТ обладают хорошими энергетическими характеристиками: мощность УФ излучения может достигать 2 кВт, а кпд выхода — 34%. Но возбуждение разрядом постоянного тока обусловливаеттакие недостатки эксимерных ламп как необходимость наличия высоких напряжений, и глав-

ное,низкую долговечность эксимерных ламп из-за химического взаимодействия материала электродов с хлорсодержащей рабочей средой.Подобные недостатки эксимерных ламп можно было бы устранить за счет перехода к безэлектродному высокочастотному (далее — ВЧ) разряду как способу возбуждения эксимерных ламп.

Объединяя вышесказанное, работы определяется следующим:

— Существует необходимость в создании в безрутных экологически чистых источников некогерентного узкополосного УФ излучения.

— Физические процессы в электроотрицательных ВЧ разрядах ранее были изучены слабо, имеются лишь единичные работы;

— Излучательные свойства названных разрядов экспериментально не изучались; теоретические исследования излучательных характеристик плазмы таких разрядов не проводились.

Цель работы заключается в установлении количественного вклада различных физических процессов, определяющих связь внутренних характеристик плазмы и выходных энергетических характеристик УФ излучения ЭО ВЧ разряда в смеси инертных газов с хлором — удельной мощностью излучения и КПД его выхода — с внешними, контролируемыми параметрами разряда (ВЧ напряжение, состав и давление смеси, вложенная мощность). Ранее этого названная связь для ВЧ разрядов не была установлена.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— Проанализировать элементарные процессы в плазме, ведущие к образованию эксимерных молекул — излучающих частиц разряда в смеси хлора с инертным газом;

— Выявить физические механизмы и процессы, протекающие в плазме ЭО ВЧ разряда и оказывающие определяющее влияние на характеристики УФ излучения плазмы;

— Установить степень влияния внешних параметров разряда (мощность ВЧ поля, состав и давление смеси газов) на характеристики УФ излучения;

— Найти оптимальные величины параметров ВЧ разряда в смесях инертного газа и хлора с точки зрения максимизации мощности и кпд выхода УФ излучения;

— Установить предельные величины удельной мощности и кпд УФ излучения ВЧ разряда в смеси инертный газ-хлор.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

1. Установлено, что вынужденная электрическим ВЧ полем диффузия, являясь доминирующим механизмом ухода электронов из разряда, является и основным физическим механизмом,определяющим плазменные и оптические характеристики емкостного ЭО ВЧ разряда среднего давления в смеси инертный газ-хлор.

2. Показано, что при оптимальных условиях возбуждения ЭО ВЧ разряда (состав и давление смеси газов, мощность ВЧ поля, геометрическая конфигурация разрядной камеры) максимальная удельная мощность УФ излучения разряда сравнима с таковой для РПТ (порядка 1 Вт/см3).

3. Показано, что при возбуждении ЭО ВЧ разряд среднего давления в смеси инертный газ - хлор посредством соленоидального индуктора, экранировка плазмой квазистатического электрического поля индуктора является незначительной ввиду малой концентрации электронов, а сам разряд имеет характер емкостного или -разряда, несмотря на возбуждение индуктором.

Практическая значимость результатов состоит в том, что:

1. Установлено, что безэлектродный ВЧ разряд низкого давления в смеси инертный газ-галоген как источник мощного некогерентного УФ излучения может выступать в качестве альтернативы ртутьсодержащим источникам УФ излучения и уже созданным безртутным эксимерным лампам;

2. Разработанная в диссертации модель ВЧ разряда позволяет с достаточной степенью точности предсказывать выходные параметры эксимерных ламп на основе ВЧ разряда и их излучательные характеристики.

3. Показано, что наиболее выгодной с точки зрения удельной мощности и кпд выхода УФ излучения геометрией эксимерных ламп с возбуждением емкостным ВЧ разрядом является дисковая — когда внешние сетчатые электроды размещены на торцах цилиндрической разрядной камеры, диаметр которой превышает межэлектродное расстояние.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Вынужденная внешним ВЧ полем диффузия является главным физическим фактором, влияющим на свойства плазмы емкостного ЭО ВЧ разряда среднего давления, на образование в нем эксимерных молекул и на характеристики УФ излучения разряда;

2. Степень диссоциации молекул хлора электронным ударом и концентрация электронов в ЭО ВЧ емкостном разряде в смеси ксенона с хлором оказываются в среднем меньшими, чем для ЭО РПТ ввиду наличия дополнительного механизма гибели электронов — вынужденной ВЧ полем диффузии.

3. Наиболее выгодной с точки зрения удельной мощности и кпд выхода УФ излучения геометрией эксимерных ламп с возбуждением емкостным ВЧ разрядом является дисковая - когда внешние сетчатые электроды размещены на торцах цилиндрической разрядной камеры, диаметр которой превышает межэлектродное расстояние.

4. Оптимальное соотношение парциальных давлений хлора и инертного газа с точки зрения получения максимальных мощности и кпд выхода эксимерного УФ излучения при возбуждении ВЧ полем меньше, чем при возбуждении РПТ и находится в пределах 1000:1—100:1. Причиной тому является ослабление диссоциации хлора в ВЧ разряде.

5. Концентрация электронов в плазме ЭО ВЧ разряда, возбуждаемого соленоидальным индуктором в смеси инертного газа и хлора, оказывается недостаточной для экранировки внешнего квазистатического ВЧ поля индуктора плазмой; сам же разряд при этом носит характер емкостного или Е-типа разряда.

Достоверность полученных результатов определена хорошим количественным совпадением результатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными лично автором, так и в сравнении с результатами, отраженными в работах других авторов; практическим подтверждением положений, сформулированных в диссертации; а также использованием современных методик проведения экспериментов, численных и аналитических методов исследования.

Результаты работы были получены с использованием вычислительных ресурсов суперкомпьютерного центра Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (http://www.spbstu.ru).

Личный вклад автора. Диссертация написана автором лично. Самостоятельно получены и проанализированы экспериментальные результаты; разработаны модели, описывающие поведение ВЧ разряда в смеси инертный газ-хлор; получены и объяснены выводы по проделанной работе и сформулированы положения, выносимые на защиту. Написание статей осуществлялось вместе с соавторами при определяющем вкладе автора диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы прошли апробацию на VII, IX International Conference Plasma Physics and Plasma Technology: PPPT-VII (Minsk, Belarus, 2015), PPPT-IX (Minsk, Belarus, 2018); международной школе-конференции молодых ученых и специалистов «Современные проблемы физики (Минск, Беларусь, 2016); XIII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (Новосибирск, 2016); всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы (Казань, 2017); всероссийском форуме «Наука будущего - наука молодых» (Нижний Новгород, 2017); International Conference on Electrical Engineering and Photonics (Санкт-Петербург, 2018); XXI, XXII ассамблеи молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2016, 2017). Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении работ по по грантам правительства Санкт-Петербурга 2016 (ПСП № 16409 от 28.11.2016) и 2017 (№ 17391 от 17.11.2017) годов.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 печатных изданиях, 5 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, среди которых 3 —в периодических научных журналах, индексируемых Scopus.

1. Golovitskii A. P., Properties of the Solenoidal Inductor Surrounded by a Conducting Medium with a Dielectric Wall / A. P. Golovitskii, A. V. Pelli, O. A. Remiga // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). -- IEEE. 2018. — P. 32--36.

2. Golovitskii, A. Calculations of the parameters of the single-layer solenoidal inductor of finite length surrounded by a lossy dielectric medium / A. Golovitskii, A. Pelli // Journal of Communications Technology and Electronics. — 2017. -- Vol. 62, no. 8. — P. 838--848.

3. Golovitskii, A. P. UV radiation of radio frequency electronegative discharge in the inert gas-C12 mixture in association with the discharge shape / A. P. Golovitskii, A. V. Pelli // 2016 13th International Scientific-Technical

Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). Vol. 1. — IEEE. 201б. — P. 1б—18.

4. Бакшт, Ф. Г. Моделирование переноса энергии излучением в аксиально-симметричной плазме газового разряда высокого давления / Ф. Г. Бакшт, В. Ф. Лапшин, А. В. Пелли // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. — 201S. — 1(1б5). — С. 8б—92.

5. Лапшин, В. Ф. Анализ применимости диффузионного приближения для расчета радиационных характеристик газовых разрядов высокого давления / В. Ф. Лапшин, А. В. Пелли // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. — 201S. — 4-1(182). — С. 8s—87.

6. Пелли, А. В. Высокочастотный разряд среднего давления в смесях инертных газов и хлора как активная среда мощных источников ультрафиолетового излучения / А. Пелли // III Всероссийский научный форум "Наука будущего - наука молодых". — Нижний Новгород: ООО "Инконсалт К"— С. 221—222.

7. Головицкий А. П., Влияние параметров высокочастотного емкостного разряда в смеси Xe и Cl2 на характеристики эксимерного УФ излучения разряда / А. П. Головицкий, А. В. Пелли // Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2017: сборник тезисов. — Казань : Изд-во "Отечество 0б.2017. — С. бб.

8. Головицкий, А. Пространственное распределение электронной концентрации в периферийной области положительного столба тлеющего разряда в электроотрицательных газах / А. Головицкий, А. Пелли // Международная школа-конференция «Современные про блемы физики» [сб. науч. тр.] — Минск : Институт физики НАН Беларуси, 201б. — С. 81—84.

9. Golovitskii, A. P. Modeling the RF capacitive discharge in the mixture of inert gases and chlorine / A. P. Golovitskii, A. V. Pelli // Proc. of the VIII Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology. — Minsk, 2015. — P. 31—34.

10. Бакшт, Ф. Г. Использование диффузионного приближения для расчета теплообмена излучением в условиях импульсного разряда высокого давления в цезии / Ф. Г. Бакшт, В. Ф. Лапшин, А. В. Пелли //IV Республиканская научно-техническая конференция "Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий": сборник статей. — Казань : Изд-во Казанского государственного технического университета, 2013. — С. 56—62.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 107 страниц, включая 41 рисунок и 3 таблицы. Список литературы содержит 94 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы и ее научная новизна, приведены выносимые на защиту положения. Показаны предпосылки к настоящим исследованиям, состояние области исследования по теме диссертации, определены основные методы и особенности исследований в рамках темы настоящей работы.

Первая глава описывает численное моделирование ЭО ВЧ разряда «конденсаторного типа» в 1D и 2D геометриях.

Вторая глава настоящей работы, описывает теоретическое исследование свойств катушки, помещенной в проводящую среду, окруженную слоем диэлектрика. Это связано с тем, что для ртутных источников УФ и видимого излучения с возбуждением ВЧ полем (известных с 1930-х гг. и производимых фирмой General Electric в настоящее время) как раз типично возбуждение посредством соленоидального индуктора.

В третьей главе описывается экспериментальный прибор и методы исследования его характеристик, для последующей верификации результатов численного моделирования.

Четвертая глава содержит результаты сравнения результатов эксперимента и численного моделирования разряда в 3D геометрии. Приводятся результаты оптимизации внешних параметров разряда, а именно: давления напуска и состава смеси с точки зрения максимизации удельной излучаемой мощности и кпд.

В заключении кратко обобщены полученные результаты.

0.1 Эксимерные лампы

Эмитирующими частицами в эксимерных лампах являются эксимерные молекулы, спонтанная релаксация которых сопровождается УФ излучением. К молекулам такого класса относится любая двухатомная молекула, один из атомов которой обладает замкнутой электронной оболочкой [4], в частности, изучаемые в настоящей работе (в качестве активной среды) хлориды инертных газов. Эксимерные молекулы образуют устойчивую химическую связь только в возбужденном состоянии.

Такие молекулы могут быть получены следующим образом (на примере молекулы ХеС1*):

В тлеющем разряде главную роль в образовании электронов играет прямая ионизация инертного газа электронным ударом:

Хе + е ^ Хе+ + е + е, (1)

— Для случаев высоких давлений — порядка атмосферного — образование эксимерных молекул происходит, в основном, в процессе трехтельной ион-ионной рекомбинации:

Хе+ + СГ+ ^ ХеС1* + М, (2)

где М — третье тело, необходимое для протекания реакции, в качестве которого обычно используется добавляемый буферный газ (Не или Хе);

— В случаях низкого или среднего давлений (до 100 торр), основным механизмом является гарпунная реакция — эксимерные молекулы образуются при соударениях молекул хлора с метастабильными атомами ксенона:

Хе + С12 ^ ХеС1* + С1 ^ Хе + С1 + Ну | +С1 (3)

где Ьтч для перехода из возбужденного состояния ХеС1* (В ^ X) составляет 308 нм.

Для эксимерных молекул — галогенидов инертных газов (далее — ГИГ) — характерно наличие интенсивного спонтанного перехода между связанными состояниями В ^ X и И ^ X, лежащими в УФ или ВУФ диапазонах, что позволяет получать излучение с высокой степенью эффективности. Что касается

ширин переходов между такими состояниями (для названных типов молекул) - они достаточно узкие для давлений порядка атмосферного (лоренцова ширина перехода) и относительно узкие для невысоких давлений порядка десятков торр. В литературе приводится, что ширина спектра излучения не превышает 10 нм на полувысоте и в нем может быть сосредоточено 80% и более всей общей мощности излучения [1; 5].Характерный эмиссионный спектр показан на рисунке 0.1.

Рисунок 0.1 — Характерный эмиссионный спектр источника на РПТ. Смесь

— ХеС1 (18 торр Хе и 0.7 торр СЩ. [1]

Выбор подходящей пары инертный газ-галоген позволяет получать экси-мерное излучение вплоть до глубокого ультрафиолета на самых разных длинах волн, лежащих в диапазоне от 106 до 351 нм (1). Такое излучение, как отмечено ранее, будет узкополосным; при этом значение удельная мощность излучения может достигать значений порядка 1 Вт/см3, при характерной концентрации эксимерных молекул порядка 1010 см-3, вероятности переходов составляют значения порядка 108 с-1 (для всех переходов, указанных в таблице 1). В сравнении с излучением ртутных ламп, эксимерное излучение не подвержено самопоглощению, для них характерно малое время разжигания разряда. Также для некоторых составов газовых смесей инертный газ-галоген можно получать излучение, не вызывающее сопутствующей генерации озона в атмосфере.

Таблица 1 — Длины волн в максимумах основных переходов между связанными состояниями эксимерных молекул [4]

Молекула А, нм

В ^ X В ^ X

ХеР 108 106

ЛгР 193 185

КгР 248 220

КгС1 222 199

Кг1 190 —

ХеР 351 264

ХеС1 308 236

ХеВг 282 221

Хе1 253 203

0.2 Применение эксимерных источников

Основные области применения источников некогерентного узкополосного непрерывного излучения УФ и ВУФ диапазонов лежат в областях, связанных с обработкой и модификации различных поверхностей. Можно выделить несколько таких основных направлений применения:

— Микроэлектроника и полупроводниковые технологии. Подготовка и очистка поверхностей при производстве полупроводников [6; 7], ВУ-Ф/УФ-индуцированное осаждение материалов [8; 9].

— Фотохимия. Избирательное травление материалов [10]. Применение для отверждения типографских красок, лаков, клеев и различных покрытий [11]. Модификация полимерных покрытий [12; 13]. Избирательное травление фотохимических материалов [14].

— Медицина и экология. Профилактика и терапия кожных заболеваний [5; 15]. Дезинфекция [16], очистка и обеззараживание воды [17]. Для каждого из названных направлений уже активно создаются или уже созданы промышленные источники на основе эксимерных источников.

0.3 Типы возбуждения эксимерных ламп

0.3.1 Разряд постоянного тока

Наиболее простой способ получения активной смеси для эксимерного излучения — газовый разряд. В работах [1; 18—20] установлено, что обыкновенный тлеющий разряд постоянного тока низкого и среднего давлений в бинарных смесях инертный газ — галоген является эффективным источником непрерывного узкополосного УФ излучения. В работе [1] показано, что текущие значения кпд выхода УФ излучения для источников на РПТ достигают 34%, а максимальные значения удельной излучательной мощности — 1,15 Вт/см3.

На текущий момент эксимерные лампы РПТ непрерывного действия хотя и производятся и применяются на практике, но их серьезным недостатком является невысокая долговечность. Это в первую очередь связано с непосредственным контактом газовой смеси (плазмы) и электродов, в результате которого происходит химическое связывание галогена материалами электрода. Исключение контакта электродов с газовой смесью позволило бы существенно увеличить сроки жизни УФ источников, а следовательно и значительно расширить область их применения.

0.3.2 Барьерный разряд

Барьерным называют разряд в межэлектродном промежутке, протекание тока в котором ограничено одним или несколькими слоями диэлектрика, (см. рис. 0.2). В качестве источника используется генератор переменного ВЧ или импульсного напряжения. В межэлектродном зазоре осуществляется специфическая форма разряда, состоящая из множества микроразрядов — зон с повышенной плотностью тока, имеющих конусовидную или цилиндрическую форму с основанием на поверхности диэлектрика (форма определяется внешними параметрами разряда). Диэлектрик играет роль ограничителя энергии в одном микроразряде и осуществляет равномерное распределение микрораз-

рядов по всей поверхности электрода (т.е. не дает разряду перейти в форму дугового).

Рисунок 0.2 — Конструкции эксимерных ламп, возбуждаемых барьерным разрядом: 1 — область диэлектрика; 2 — источник переменного или импульсного напряжения; 3, 4, 5, 6 — электроды; 6 — разрядный промежуток.

Выход излучения обозначен белыми стрелками [21]

В работе [21] экспериментально исследовались факторы, непосредственно влияющие на время жизни такого разряда для смеси Хе(Кг)-С12. Непосредственный контакт электродов и газовой смеси отсутствует, но согласно работе большую роль играет поглощение молекулярного хлора материалом, из которого изготовлена трубка. Показано, что использование буферного объема для отпаянного источника, позволяет увеличить время жизни свыше 3000 часов.

В зависимости от выбранных внешних параметров разряда мощность излучения таких источников может достигать до 20 мВт/см3, а кпд, в максимуме, составляет 12% [22].

Из рисунка 0.2 видно, что при такой конструкции электрод имеет форму внешней спирали, тем самым ограничивая площадь излучаемой поверхности разряда (в работе [21] указана величина пропускания излучения при наличии электрода около 72%). Стоит отметить, что излучение таких ламп носит импульсный характер. В эксимерных лампы, возбуждаемых БР, в качестве источников питания используются либо генераторы импульсного напряжения с высокой частотой повторения (до 250 КГц) и большой мощности, либо генераторы высоковольтного гармонического ВЧ напряжения. [23; 24].

0.4 Альтернативные источники УФ-излучения

В качестве альтернативы эксимерным лампам могут выступать современные УФ светодиоды. Современные УФ светодиоды с длиной волны более 365 нм уже широко используются в промышленности. Согласно информации, представленной компаниями Nichia [25] и Sensor Electronic Technology [26] — на этом диапазоне длин волн были созданы источники с кпд выхода около 60% и выходной мощностью излучения порядка 1 Вт. Такие источники в основном используются для литографии, при полимеризации красок и ускорении затвердевания смол. Стоит заметить, что многие из представленных источников на рынке весьма дороги и нуждаются в принудительном охлаждении. Однако, УФ светодиоды, работающие на более коротких (менее 300 нм) длинах волн, только начали появляться. Представленный в [27] светодиодный источник на длине волны в 278 нм имеет выходную мощность излучения порядка 1-2 мВт, при кпд 1-2% и сравнительно небольшой (порядка 500 часов) срок службы. Как видно из рисунков 0.3 и 0.4, на более коротких длинах волн значения кпд излучения составляют менее 1% при времени жизни порядка 100 часов. Забегая вперед, можно отметить, что на длинах волн короче 300 нм светодиоды заметно уступают эксимерным лампам по характеристикам, а продвижение в более коротковолновую область спектра для светодиодных источников ограничено подбором эмитирующих структур, в то время как длина волны эксимерно-

го излучения определяется составом смеси распространенных газов (см. 1). Детальный обзор существующих светодиодных источников УФ излучения пред-

100%

hnp «www ifcp tu-berim de"id=agkiieissi (fast updated 1S-Juty-2015}

>

U С 0) о

is

ш E

э С

га □

О

га с

w 0) X Ш

10%

0.1%

0,01% ■

200

ф • f* • %

9 л ♦ * л ( ^ Ф о* & ♦ * ♦ »• • ♦ ♦ О к

-4 V * % 4 * * + ЛА Л Д ♦ * ? ** , Jz » * % ^ О » А ♦ ♦ ^

• ♦♦ 4 ♦ 4 Ф Л 4 А —1—1—1—1—'—1—1—1—1—1—1—1—L —1—1—1—1—1—

250 300 350

Emission Wavelength (nm)

400

• Сгм

• Crystal IS

• DOWA

• KexatecWTokuyama I * LG Innotec

• Miliubiahi

• Nichia eNikklM

1 'Philips Lum lidb

• Seoul Semiconductor

«аст<

' *UV Cnflory

»CAS,'Pet ¡rig (J.

• FBHfTU Berlin

• IAF + NTT

• PARC

+ RIKEN

1 • s«ndif

Л Boston U . Brown,'vale U ¿Kansas SI<1> U

Lh*|o U,

Nouhwestejn L. Т*ш Tech U. Tokushima U

i use

Рисунок 0.3 — Экспериментальные данные по эффективности УФ излучения светодиодов ЛЮаК, ¡пЛЮаК- и 1пСаК в зависимости от длины волны

излучения, взятые из [28].

ставлен на рисунках 0.3 и 0.4. Можно сделать вывод, что для длин волн короче 300 нм, светодиоды уступают эксимерным лампам и по сроку службы, и эффективности излучения.

0.5 Безэлектродный ВЧ разряд, возбуждаемый индуктором

Описанные в разделе 0.3 источники на основе разряда постоянного тока и барьерного разряда имеют ряд недостатков. Для разряда постоянного тока такими недостатками выступают невысокая долговечность и высокое напряжение, необходимое для поддержания разряда. В случае с лампами, возбуждаемыми БР, такими недостатками являются: конструкция электродов, перекрывающая зону излучения; импульсный характер излучения, а также

Рисунок 0.4 — Деградация мощности УФ излучения светодиодов со временем, длина волны — 310 нм. b) общие времена жизни УФ светодиодов, различных производителей, на различных длинах волн. [28]

сложность конструкции возбуждающих высоковольтных ВЧ или импульсных генераторов.

Альтернативой мог бы служить переход к безэлектродному ВЧ разряду, изучению которого и посвящена настоящая работа. В таких разрядах плазма не контактирует со стенками прибора, а время работы источника ограничивается лишь диффузией галогенов в стекле. За основу конструкции взята такая, что уже используется в существующих газоразрядных лампах с индукционным ВЧ разрядом в смесях ртуть-аргон [29—31]. Индуктор — соленоидальная катушка индуктивности, к которой прикладывается ВЧ напряжение — помещается внутрь полости колбы с газом и инициирует ВЧ разряд в колбе. (см. рис. 0.5).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пелли Александр Витальевич, 2019 год

Список литературы

1. Головицкий, А. Характеристики ультрафиолетового эксимерного излучения непрерывного тлеющего разряда низкого давления / А. Головицкий, С. Кан // Оптика и спектроскопия. — 1993. — Т. 75, № 3. — С. 604—609.

2. Головицкий, А. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления в смеси инертных газов и галогенов для экономичных безртутных люминесцентных источников света / А. Головицкий // Письма в ЖТФ. — 1998. — Т. 24, № 6. — С. 63—67.

3. Eliasson, B. UV excimer radiation from dielectric-barrier discharges / B. Elias-son, U. Kogelschatz // Applied Physics B. — 1988. — Vol. 46, no. 4. — P. 299-303.

4. Смирнов, Б. М. Эксимерные молекулы / Б. М. Смирнов // Успехи физических наук. — 1983. — Т. 139, № 1. — С. 53—81.

5. Эксилампы барьерного и емкостного разрядов и их применения (обзор) / М. Ломаев [и др.] // Приборы и техника эксперимента. — 2006. — № 5. — С. 5—26.

6. Falkenstein, Z. Surface cleaning mechanisms utilizing VUV radiation in oxygen-containing gaseous environments / Z. Falkenstein // Lithographic and Micromachining Techniques for Optical Component Fabrication. Vol. 4440. — International Society for Optics, Photonics. 2001. — P. 246—255.

7. UV cleaning of contaminated 157-nm reticles / T. M. Bloomstein [и др.] // Optical Microlithography XIV. Т. 4346. — International Society for Optics, Photonics. 2001. — С. 669—675.

8. High-intensity sources of incoherent UV and VUV excimer radiation for low-temperature materials processing / U. Kogelschatz [et al.] // Applied Surface Science. - 2000. - Vol. 168, no. 1-4. - P. 29-36.

9. Bergonzo, P. Direct photo-deposition of silicon dioxide films using a xenon excimer lamp / P. Bergonzo, U. Kogelschatz, I. W. Boyd // Applied surface science. - 1993. - Vol. 69, no. 1-4. - P. 393-397.

10. Tsuji, N. UV-Curing Apparatus Provided With Wavelength-Tuned Excimer Lamp and Method of Processing Semiconductor Substrate Using Same / N. Tsuji. - 10/2014. - US Patent App. 13/646,471.

11. Nakayama, Y. Photocurable surgical tissue adhesive glues composed of pho-toreactive gelatin and poly (ethylene glycol) diacrylate / Y. Nakayama, T. Matsuda // Journal of biomedical materials research. — 1999. — Vol. 48, no. 4. - P. 511-521.

12. Large area photochemical dry etching of polyimide with excimer UV lamps / J. Y. Zhang [et al.] // Applied surface science. — 1993. — Vol. 69, no. 1—4. — P. 299-304.

13. Photochemical functionalization of polymer surfaces for subsequent metallization / S. Beil [et al.] // Surface and Coatings Technology. — 1999. — Vol. 116. - P. 1195-1203.

14. Esrom, H. Modification of surfaces with new excimer UV sources / H. Esrom, U. Kogelschatz // Thin solid films. - 1992. - Vol. 218, no. 1/2. - P. 231-246.

15. Pacifico, A. Photo (chemo) therapy for vitiligo / A. Pacifico, G. Leone // Photodermatology, photoimmunology & photomedicine. — 2011. — Vol. 27, no. 5. - P. 261-277.

16. Clauß, M. Photoreactivation of Escherichia coli and Yersinia enterolytica after Irradiation with a 222 nm Excimer Lamp Compared to a 254 nm Low-pressure Mercury Lamp / M. Clauß, R. Mannesmann, A. Kolch // Acta hydrochimica et hydrobiologica. - 2005. - Vol. 33, no. 6. - P. 579-584.

17. Oppenländer, T. Mercury-free sources of VUV/UV radiation: application of modern excimer lamps (excilamps) for water and air treatment / T. Oppenländer // Journal of Environmental Engineering and Science. — 2007. — Vol. 6, no. 3. - P. 253-264.

18. Головицкий, А. O возможности создания эффективных ультрафиолетовых излучателей на основе непрерывного тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов / А. Головицкий // Письма в ЖТФ. — 1992. — Т. 18, № 8. — С. 73—76.

19. Головицкий, А. Радиальные распределения плазменно-оптических характеристик эксимерных ультрафиолетовых излучателей тлеющего разряда в смеси Xe+ Cl2 / А. Головицкий, С. Лебедев // Оптика и спектроскопия. — 1997. — Т. 82, № 2. — С. 251—255.

20. Головицкий, А. Моделирование газоразрядных источников ультрафиолетового излучения с тлеющим разрядом в смеси ксенона и хлора /

A. Головицкий // Журнал технической физики. — 2011. — Т. 81, № 3. — С. 55—64.

21. Авдеев, С. Факторы, ограничивающие срок службы отпаянных эксиплекс-ных ламп барьерного разряда, содержащих хлор / С. Авдеев, Э. Соснин,

B. Тарасенко // Оптический журнал. — 2010. — Т. 77, № 1. — С. 54—57.

22. Lomaev, M. I. Excilamps and their applications / M. I. Lomaev, E. A. Sosnin, V. F. Tarasenko // Progress in quantum electronics. — 2012. — Vol. 36, no. 1. - P. 51-97.

23. Capacitive and barrier discharge excilamps and their applications / M. Lomaev [et al.] // Instruments and experimental techniques. — 2006. — Vol. 49, no. 5. - P. 595-616.

24. Efficient UV and VUV Radiation Sources-Excilamps and Photoreactors on Their Basis / S. Avdeev [et al.] // Russian Physics Journal. — 2017. — Vol. 60, no. 8. - P. 1298-1302.

25. NICHIA Nichia Corporation products. — Accessed: 2017-08-02. http://www. nichia.co.jp/ru / product/uvled.html.

26. SENSOR Sensor Electronics products. — Accessed: 2017-08-02. http://www.se-ti.com/en/product/pkg/.

27. NIC NIC Components Corp. Products Catalog. — Accessed: 2018-05-15. http: //www.niccomp.com/products/catalog/nuvc66.pdf.

28. Kneissl, M. A brief review of III-nitride UV emitter technologies and their applications / M. Kneissl // III-nitride ultraviolet emitters. — Springer, 2016. — P. 1-25.

29. Antonis, P. H. Lighting unit, electrodeless low-pressure discharge lamp, and discharge vessel / P. H. Antonis, P. Postma. — 09/1997. — US Patent 5,696,426.

30. Hollister, D. D. Light generation by an electrodeless fluorescent lamp / D. D. Hollister. - 01/1977. - US Patent 4,010,400.

31. Bray, D. Electrodeless discharge lamp containing push-pull class E amplifier / D. Bray, T. P. Murphy. - 07/1995. - US Patent 5,387,850.

32. Райзер, Ю. П. Физика газового разряда / Ю. П. Райзер. — Москва : Наука, 1992. — 536 с.

33. Швейгерт, В. Численное моделирование высокочастотного разряда в эле-газе / В. Швейгерт // Физика плазмы. — 1991. — Т. 17, № 7. — С. 844—854.

34. Головицкий, А. П. Измерения радиофизических характеристик плазмы высокочастотного разряда, возбуждаемого индуктором в электроотрицательных газах / А. П. Головицкий // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. — 2007. — № 51. — С. 145—150.

35. Two-dimensional modelling of CF4 rf plasmas: periodic steady state, transient response after step change of power source voltage, and comparison with one-dimensional modelling / S.-Y. So [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2002. - Vol. 35, no. 22. - P. 2978.

36. Цендин, Л. Диффузия заряженных частиц в плазме электроотрицательных газов / Л. Цендин // ЖТФ. — 1985. — Т. 55, № 12. — С. 2318.

37. Цендин, Л. Расслоение газоразрядной плазмы в электро-отрицательных газах / Л. Цендин // Журнал технической физики. — 1989. — Т. 59.

38. Flamm, D. L. Time-dependent excitation in high-and low-frequency chlorine plasmas / D. L. Flamm, V. M. Donnelly // Journal of applied physics. — 1986. - Vol. 59, no. 4. - P. 1052-1062.

39. Macheret, S. O. Modeling of air plasma generation by repetitive high-voltage nanosecond pulses / S. O. Macheret, M. N. Shneider, R. B. Miles // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2002. — Vol. 30, no. 3. — P. 1301—1314.

40. Two-dimensional fluid simulation of capacitively coupled RF electronegative plasmas / T. H. Chung [et al.] // Japanese journal of applied physics. — 1997. - Vol. 36, 5R. - P. 2874.

41. Comparison of model and experiment for Ar, Ar/O2 and Ar/O2/Cl2 inductively coupled plasmas / C.-C. Hsu [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol. 39, no. 15. - P. 3272.

42. Comparison between fluid simulations and experiments in inductively coupled argon/chlorine plasmas / C. Corr [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2008. - Vol. 41, no. 18. - P. 185202.

43. Park, S.-K. Analysis of low pressure rf glow discharges using a continuum model / S.-K. Park, D. J. Economou // Journal of applied physics. — 1990. — Vol. 68, no. 8. - P. 3904-3915.

44. Boeuf, J.-P. Numerical model of rf glow discharges / J.-P. Boeuf // Physical review A. - 1987. - Vol. 36, no. 6. - P. 2782.

45. Lee, I. Modeling electromagnetic effects in capacitive discharges / I. Lee, D. Graves, M. Lieberman // Plasma Sources Science and Technology. — 2008. - Vol. 17, no. 1. - P. 015018.

46. Kawamura, E. Fast 2D hybrid fluid-analytical simulation of inductive/capaci-tive discharges / E. Kawamura, D. Graves, M. Lieberman // Plasma Sources Science and Technology. - 2011. - Vol. 20, no. 3. - P. 035009.

47. Malyshev, M. Diagnostics of chlorine inductively coupled plasmas. Measurement of electron temperatures and electron energy distribution functions / M. Malyshev, V. Donnelly // Journal of Applied Physics. — 2000. — Vol. 87, no. 4. - P. 1642-1649.

48. Malyshev, M. Diagnostics of inductively coupled chlorine plasmas: Measurement of Cl 2 and Cl number densities / M. Malyshev, V. Donnelly // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 88, no. 11. - P. 6207-6215.

49. Malyshev, M. Diagnostics of inductively coupled chlorine plasmas: Measurement of electron and total positive ion densities / M. Malyshev, V. M. Donnelly// Journal of Applied Physics. -2001. - Vol. 90, no. 3. - P. 1130-1137.

50. Lister, G. G. Low-pressure gas discharge modelling / G. G. Lister // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1992. - Vol. 25, no. 12. - P. 1649.

51. Kline, L. Electron and chemical kinetics in the low-pressure RF discharge etching of silicon in SF6 / L. Kline // IEEE transactions on plasma science. — 1986. - Vol. 14, no. 2. - P. 145-155.

52. Boeuf, J.-P. A Monte Carlo analysis of an electron swarm in a nonuniform field: the cathode region of a glow discharge in helium / J.-P. Boeuf, E. Marode // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1982. - Vol. 15, no. 11. - P. 2169.

53. Boswell, R. W. Self-consistent simulation of a parallel-plate rf discharge / R. W. Boswell, I. J. Morey // Applied physics letters. — 1988. — Vol. 52, no. 1. - P. 21-23.

54. Yonemura, S. Electron energy distributions in inductively coupled plasma of argon / S. Yonemura, K. Nanbu // Japanese journal of applied physics. — 2001. - Vol. 40, 12R. - P. 7052.

55. Yonemura, S. Electron energy distributions in inductively coupled plasma: comparison of chlorine discharge with argon discharge / S. Yonemura, K. Nanbu, K. Sakai // Japanese journal of applied physics. — 2002. — Vol. 41, 10R. - P. 6189.

56. Дацюк, О. Сравнение метода частиц и гидродинамического приближения для моделирования газового разряда / О. Дацюк, А. Бакаев, Г. Толмачев // Математическое моделирование. — 2004. — Т. 16, № 10. — С. 29—34.

57. Experimental and theoretical study of the CF4 DC glow discharge positive column / V. Volynets [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. — 1993. - Vol. 26, no. 4. - P. 647.

58. Rapp, D. Total cross sections for ionization and attachment in gases by electron impact. I. Positive ionization / D. Rapp, P. Englander-Golden // The Journal of Chemical Physics. - 1965. - Vol. 43, no. 5. - P. 1464-1479.

59. Stevie, F. Electron impact ionization cross sections of F2 and Cl2 / F. Stevie, M. Vasile // The Journal of Chemical Physics. — 1981. - Vol. 74, no. 9. -P. 5106-5110.

60. Massey, H. Negative atomic ions / H. Massey, R. A. Smith // Proceedings of the Royal Society of London. Series A-Mathematical and Physical Sciences. — 1936. - Vol. 155, no. 886. - P. 472-489.

61. Vriens, L. Cross-section and rate formulas for electron-impact ionization, excitation, deexcitation, and total depopulation of excited atoms / L. Vriens, A. Smeets // Physical Review A. - 1980. - Vol. 22, no. 3. - P. 940.

62. Font, G. I. Numerical study of the effects of reactor geometry on a chlorine plasma helicon etch reactor / G. I. Font, I. D. Boyd // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. — 1997. — Vol. 15, no. 2. - P. 313-319.

63. Whitten, B. L. Collisional radiative recombination in high-pressure noble gas mixtures / B. L. Whitten, L. W. Downes, W. E. Wells // Journal of Applied Physics. - 1981. - Vol. 52, no. 3. - P. 1255-1258.

64. Moratz, T. J. High-temperature kinetics in He and Ne buffered XeF lasers: The effect on absorption / T. J. Moratz, T. D. Saunders, M. J. Kushner // Applied Physics Letters. - 1989. - Vol. 54, no. 2. - P. 102-104.

65. Spanel, P. SIFT studies of the reactions of rare gas atomic ions with Cl2 and Br2 / P. Spanel, M. Tich, D. Smith // International journal of mass spectrometry and ion processes. — 1993. — Vol. 129. — P. 155—162.

66. Church, M. Ionic recombination of atomic and molecular ions in flowing afterglow plasmas / M. Church, D. Smith // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1978. - Vol. 11, no. 16. - P. 2199.

67. Reactive quenching of two-photon excited xenon atoms by Cl2 / M. Bruce [et al.] // The Journal of chemical physics. — 1990. — Vol. 92, no. 1. — P. 420-427.

68. Головицкий, А. Моделирование положительного столба тлеющего разряда в смеси инертных газов и хлора с учетом диссоциации молекул хлора / А. Головицкий // Журнал технической физики. — 2011. — Т. 81, № 3. —

C. 45—54.

69. BOLSIG+ Electron Boltzmann equation solver. — Accessed: 2017-08-02. https: //www.bolsig.laplace.univ-tlse.fr/.

70. Franklin, R. Characteristics of electric discharges in the halogens: the recombination-dominated positive column / R. Franklin, P. Daniels, J. Snell // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1993. - Vol. 26, no. 10. - P. 1638.

71. Ku, J. Significant enhancement of XeCl (B, C) and XeF (B, C) formation rate constants in reactions of Xe (5 p 56 p) atoms with halogen donors / J. Ku,

D. Setser // Applied physics letters. - 1986. - Vol. 48, no. 11. - P. 689-691.

72. Flannery, M. Ionic recombination of rare-gas atomic ions X+ with F- in a dense-gas X / M. Flannery, T. Yang // Applied Physics Letters. — 1978. — Vol. 32, no. 5. - P. 327-329.

73. Отпаянные эффективные эксилампы, возбуждаемые емкостным разрядом / М. Ломаев [и др.] // Письма в ЖТФ. — 1999. — Т. 25, № 21. — С. 27—32.

74. Планарный эксимерно-галогенный излучатель с накачкой поперечным высокочастотным разрядом / А. Шуаибов [и др.] // Письма в ЖТФ. — 2003. — Т. 29, № 15.

75. Сорока, А. Возникновение вынужденной амбиполярной диффузии под действием высокочастотного электрического поля / А. Сорока, Г. Шапиро // Письма ЖТФ. — 1979. — Т. 5, № 3. — С. 129.

76. Wharmby, D. Electrodeless lam / D. Wharmby // Lamps and Lighting. — 4th ed. - London : Coaton, J.R., Mardsen, A.M., 2011. - P. 220-226.

77. Цейтлин, Л. Индуктивности проводов и контуров. Т. 228 / Л. Цейтлин. — 1950.

78. Немцов, М. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности / М. Немцов, Ю. М. Шамаев. — Энергоатомиздат, 1989.

79. Смайт, В. Электростатика и электродинамика / В. Смайт. — Изд-во иностр. лит., 1954. — 606 с.

80. Никольский, В. Электродинамика и распространение радиоволн / В. Никольский. — М.: Наука, 1973.

81. Knight, D. W. The self-resonance and self-capacitance of solenoid coils-applicable theory models and calculation methods / D. W. Knight // G3YNH info. — 2016. - Vol. 10.

82. Corum, K. L. RF coils, helical resonators and voltage magnification by coherent spatial modes / K. L. Corum, J. F. Corum // 5th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service. TELSIKS 2001. Proceedings of Papers (Cat. No. 01EX517). Vol. 1. - IEEE. 2001. - P. 339-348.

83. Palermo, A. Distributed capacity of single-layer coils / A. Palermo // Proceedings of the Institute of Radio Engineers. — 1934. — Vol. 22, no. 7. — P. 897-905.

84. Stray capacitances of single-layer solenoid air-core inductors / G. Grandi [et al.] // IEEE Transactions on Industry Applications. — 1999. — Vol. 35, no. 5. - P. 1162-1168.

85. Breit, G. The distributed capacity of inductance coils / G. Breit // Physical Review. - 1921. - Vol. 17, no. 6. - P. 649.

86. Райзер, Ю. высокочастотный емкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения / Ю. Райзер, М. Шнейдер, Н. Яценко // М.: Изд-во МФТИ. — 1995.

87. Головицкий, А. Простой способ восстановления радиальных распределений свечения плазмы для коаксиальной геометрии / А. Головицкий // Оптика и спектроскопия. — 2016. — Т. 120, № 4. — С. 540—544.

88. Пикалов, В. В. Реконструктивная томография в газодинамике и физике плазмы / В. В. Пикалов, Н. Г. Преображенский. — Изд-во"Наука,"Сибирское отд-ние, 1987.

89. Преображенский, Н. Г. Неустойчивые задачи диагностики плазмы / Н. Г. Преображенский, В. В. Пикалов, А. К. Ребров. — Изд-во"Наука,"Сибирское отделение, 1982.

90. Mosburg, E. R. Solution of the Abel integral transform for a cylindrical luminous region with optical distortions at its boundary. Vol. 368 / E. R. Mosburg, M. S. Lojko. — US Government Printing Office, 1968.

91. Воскобойников, Ю. Е. Математическая обработка эксперимента в молекулярной газодинамике / Ю. Е. Воскобойников, Н. Г. Преображенский, А. И. Седельников. — Изд-во"Наука,"Сибирское отд-ние, 1984.

92. Global model for high pressure electronegative radio-frequency discharges / Y. Lee [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. - 1997. - Vol. 15, no. 1. - P. 113-126.

93. Modelling plasma discharges at high electronegativity / A. Lichtenberg [et al.] // Plasma Sources Science and Technology. — 1997. — Vol. 6, no. 3. — P. 437.

94. Влияние концентрации хлора на эффективность излучения XeCl эк-сиплексной лампы / С. Автаева [и др.] // Физика плазмы. — 2013. — Т. 39, № 9. — С. 862—862.

Список рисунков

0.1 Характерный эмиссионный спектр источника на РПТ. Смесь

— ХеС1 (18 торр Хе и 0.7 торр С12). [1] ................. 12

0.2 Конструкции эксимерных ламп, возбуждаемых барьерным

разрядом: 1 — область диэлектрика; 2 — источник переменного или импульсного напряжения; 3, 4, 5, 6 — электроды; 6 — разрядный промежуток. Выход излучения обозначен белыми стрелками [21] . . 15 0.3 Экспериментальные данные по эффективности УФ излучения светодиодов ЛЮаХ, 1пЛЮаХ- и 1пСаХ в зависимости от длины

волны излучения, взятые из [28]...................... 17

0.4 Деградация мощности УФ излучения светодиодов со временем,

длина волны — 310 нм. Ь) общие времена жизни УФ светодиодов,

различных производителей, на различных длинах волн. [28]..... 18

0.5 Внешний вид ВЧ газового разряда, возбуждаемого индуктором: а

— индуктивный тип разряда в Хе; б — емкостной тип разряда в

смеси Хе + С12............................... 19

1.1 Иллюстрация модели разряда для одномерного случая........ 25

1.2 Пространственное распределение концентрации электронов (а) и ионов (б) (усредненные по периоду) за различное количество периодов колебания поля (100-1500). (*) отмечен выход на квазистационарный режим (1500 периодов).Щ = 400 В, смесь 0.95

торр Хе и 0.05 торр С12 .......................... 30

1.3 Пространственное распределение амплитуды потенциала в разряде (а), усредненное по периоду распределение амплитуды электрического поля в разряде (б) (квазистационарный режим), Щ

= 400 В, смесь 0.95 торр Хе и 0.05 торр СЬ............... 31

1.4 Пространственное распределение концентрации: 1

— положительных ионов (Хе+и С1+), 2 — отрицательных и 3

— электронов (усредненные по периоду). = 400 В, смесь 0.95

торр Хе и 0.05 торр С12 .......................... 32

1.5 Пространственное распределение концентрации эксимерных молекул XeCl* (усредненные по периоду). U0 = 400 В, смесь 0.95

торр Xe и 0.05 торр Cl2.......................... 34

1.6 Пространственное распределение концентрации 1 — Хе; 2 — С12; 3

— Cl-; 4 — Xe+ (усредненные по периоду). U0 = 1500 В, смесь 0.96 торр Xe и 0.04 торр Cl2.......................... 35

1.7 Зависимости от амплитуды ВЧ напряжения U0: a Wuv — в центральной области разряда (1), максимальная величина значения Wuv в оболочке (2), величины электронной концентрации пе в центральной области для длины разрядного промежутка L =4 см (3) и для L =2 см (4); b — локальное значение кпд в центре разряда

(1) и на периферийной области (2); смесь 0.96 торр Xe и 0.04 торр Cl2 35

1.8 Схематичное изображение постановки 2D задачи ........... 38

1.9 Средние по периоду ВЧ поля профили концентраций заряженных частиц в радиальном (a, z = 0) и аксиальном (b, г = 0) направлениях; U0 = 400 В, R =1 см, L = 2 см, смесь 0.95 торр Xe и

0.05 торр Cl2 ................................ 39

1.10 Продольные профили Wuv : a — при уменьшении R (1 — R = 4 см, 2 — R =1 см), b — при уменьшении L, прочие параметры разряда

— см. текст ................................. 41

1.11 Средние по периоду поля: a — продольные профили пе, Е0 = 200 В/см, 1 — L = 4 см, 2 — L = 2 см, 3 — L =1 см; b — эффективные коэффициенты диффузии электронов для R = 1 см, 1 — Deff (г), 2

— Deff (r), Uo = 800 В, L = 4 см, смесь 0.95 торр Xe и 0.05 торр C^ . 42

1.12 Усредненное по периоду распределение удельной излучательной мощности внутри разряда. Общий выход излучения 0.5 Вт, при кпд 16%. Uo = 800 В, L = 4 см, R = 2 см, смесь 0.95 торр Xe и 0.05 торр

С12...................................... 43

2.1 Схема расчетной модели ......................... 46

2.2 Характеристики соленоида с параметрами указанными в разделе 2.1 а — распределение магнитных потоков по виткам при d = 0.01 См/м и токе 1 А; б — зависимости индуктивности: кривая 1

— Ld(d), кривая 2 — L*d(d) при £ = 1 и ед = 1 , кривая 3 — L*d(d)

при £ = 2.5; в — зависимость dL(d), г — зависимость Rd(d)..... 53

2.3 Эквивалентные схемы реального индуктора, окруженного проводящим диэлектриком (его граница условно показана пунктирной линией), емкость подводящего провода С^ (включенная параллельно С а ) не показана............... 53

2.4 Распределения по виткам амплитуды потенциалов (а) и зарядов (б) витков при £ = 2.5, £д = 1, а = 0.01 См/м и амплитуде приложенной разности потенциалов и0= 1000 В: кривая 1

— действительная часть заряда, кривая 2 — мнимая часть заряда . . 54

2.5 Зависимости от проводимости а (на всех графиках: кривая 1 — при £ = 1, кривая 2 — при £ =2.5): а — собственной емкости Сь, б

— параллельного сопротивления Яр, в — среднего квазистатического поля в среде, г — эффективного последовательного сопротивления Д^. На графиках принято £д = 1. Для сравнения на рис. 2.5, г показана зависимость последовательного сопротивления потерь из-за вихревых токов Яа (кривая 3), которая соответствует кривой на рис.2.2, г........ 57

2.6 Распределения иа(г,г) (изолинии) и Еа{г,г) (яркость и силовые

линии) индуктора для £д = 1 и и0 = 1000 В. Показан один квадрант, положение индуктора показано черным прямоугольником. Черная горизонтальная линия соответствует границе внешней среды, у которой £ = 1, а а = 2 • 10-3 См/м .... 59

2.7 Потенциал и8(г,г) и поле Е3(г,г) в области крайних витков индуктора (номера витков указаны на графиках) для £д = 1, £ = 1, а=5-10-3 См/м и и0 = 1000 В: а — двумерные распределения

и8(г,х)(яркость и изолинии) и Е8(г,х)(силовые линии), б — и8(г,х) . 60

2.8 Зависимости от проводимости а при £ = 1 и £д ^ 1 (значения указаны на графиках): а — собственной емкости Сь, б

— эффективной индуктивности Ь*, в — эффективного последовательного сопротивления индуктора , г — доли активной ВЧ мощности генератора, передаваемой окружающей среде при Яс = 5 Ом............................ 65

3.1 Конструкция экспериментального прибора: 1 — полость с газовой

смесью; 2 — возбуждающий индуктор .................. 68

3.2 Конструкция экспериментального прибора: 1 — полость с газовой смесью; 2 — возбуждающий индуктор.................. 69

3.3 Экспериментальный прибор. Горение разряда в ЭО смеси Хе + С12, показаны случаи низкого (а) и высокого (б) ВЧ напряжения на индукторе.................................. 71

3.4 Оптическая схема для регистрации спектров с боковой поверхности экспериментального прибора ....................... 72

3.5 Условное обозначение сечений снятых интенсивностей, приведенных на рисунках ниже ..................... 74

3.6 Радиальные распределения интенсивностей концентрации эксимерных молекул ХеС1* при низком (а) и высоком (б) напряжении на индукторе. Буквенные обозначение А, В и С определяют положение z-координаты индуктора, при которой снимались радиальные профили (см. рис. 3.5).Синим цветом

отмечены границы внутренней стенки прибора............. 74

3.7 Радиальные распределения интенсивностей переходов в атоме Хе при низком (а) и высоком (б) напряжении на индукторе. Буквенные обозначение А, В и С определяют положение z-координаты индуктора, при которой снимались радиальные профили (см. рис. 3.5).Синим цветом отмечены границы внутренней стенки прибора. . 75

3.8 Радиальные распределения интенсивностей переходов в атоме С1 при низком (а) и высоком (б) напряжении на индукторе. Буквенные обозначение А, В и С определяют положение z-координаты индуктора, при которой снимались радиальные профили (см. рис. 3.5).Синим цветом отмечены границы внутренней стенки прибора. . 75

3.9 Схема эксперимента с ограниченной экспериментальной информацией: а — схема измерения (серым цветом обозначена внутренняя полость с индуктором), Ь — пример получаемого в ходе эксперимента распределения I*(х).................... 76

4.1 Экспериментальный прибор (а) и расчетная геометрия задачи (б): 1

— область горения разряда, 2 — диэлектрическая стенка колбы; Щ

— область задания прикладываемого ВЧ напряжения ......... 79

4.2 Сечения профилей концентраций возбужденных атомов С1, Хе и эксимерных молекул ХеС1*, черным цветом обозначены расчетные профили, красным — полученные в ходе эксперимента, ^0=320 В, смесь 1 торр Хе + 0.0002 торр С12.................... 81

4.3 Сечения профилей концентраций возбужденных атомов С1, Хе и эксимерных молекул ХеС1*, черным цветом обозначены расчетные профили, красным — полученные в ходе эксперимента, и0=400 В, смесь 1 торр Хе + 0.0002 торр С12.................... 82

4.4 Внешний вид ВЧ разряда в смеси Хе +С12 при напряжении 320 В (а) и рассчитанное для этого напряжения распределение излучательной мощности внутри разряда (б) и распределение поля в ближней зоне индуктора (в): серым цветом обозначена область индуктора смесь 1 торр Хе + 0.001 торр С12. По результатам расчетов общий выход излучения составил 0.3 Вт, при кпд 18%. ... 83

4.5 Усредненные по периоду распределение излучательной мощности внутри разряда при низком ^0=320 В (а) и высоком и0 = 400 В (Ь) напряжении на индукторе. Смесь 1 торр Хе + 0.0002 торр С12 .... 83

4.6 Средние величины удельной мощности УФ излучения () и кпд (Ь) в зависимости от содержания С12 при разных амплитудах ВЧ напряжения и0: 200 В (1), 400 В (2), 800 В (3),1000 В (4); величина межэлектродного промежутка 4 см ................... 86

4.7 Средние величины удельной мощности излучения в зависимости от давления напуска для смеси Хе и С12 в соотношении: 1000:1 (1), 100:1 (2), 10:1 (3) и 10000:1 (4) со средней эффективностью выхода излучения 12%, 7%, 3% и порядка 1%, соответственно; амплитуда ВЧ напряжения и0 = 1000 В; величина межэлектродного промежутка 4 см .............................. 87

Список таблиц

1 Длины волн в максимумах основных переходов между связанными состояниями эксимерных молекул [4] ....................................13

2 Средняя по объему удельная мощность УФ излучения и кпд..........39

3 Средняя по объему удельная мощность УФ излучения и кпд ..........40