莊曉波 朱紹龍 張善端

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

準(zhǔn)分子是一種處于激發(fā)狀態(tài)的雙原子分子(excited dimmer，簡(jiǎn)寫為excimer)，不存在穩(wěn)定的基態(tài)。通常情況下，準(zhǔn)分子存在時(shí)間為納秒量級(jí)，然后通過自發(fā)輻射的方式躍遷回到能量較小的狀態(tài)時(shí)就會(huì)輻射出光子，同時(shí)分解為原子。

表1 稀有氣體鹵化物準(zhǔn)分子的輻射波長(zhǎng) (nm)

準(zhǔn)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(zhǔn)分子光源做成對(duì)環(huán)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(tǒng)低壓汞燈的汞原子光譜相比，準(zhǔn)分子由于沒有穩(wěn)定的基態(tài)，不存在基態(tài)的自吸收，因此準(zhǔn)分子燈可以很大的功率密度發(fā)射窄帶輻射。

準(zhǔn)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(zhì)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(fā)準(zhǔn)分子發(fā)光。其中，介質(zhì)阻擋放電 (DBD)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在研究和應(yīng)用中被大量采用。由DBD驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)分子燈無內(nèi)電極，避免了電極與等離子體接觸后發(fā)生的腐蝕和濺射，是一種潛在的長(zhǎng)壽命紫外光源，還可根據(jù)各種需求改變形狀和尺寸。

大多數(shù)光化學(xué)和光物理應(yīng)用都需要在特定波長(zhǎng)區(qū)域有強(qiáng)輻射。比如低壓汞燈的254nm輻射適用于大部分場(chǎng)合，但這個(gè)波長(zhǎng)對(duì)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(zhǔn)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(zhǔn)分子燈多為同軸結(jié)構(gòu)的DBD驅(qū)動(dòng)，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(zhǔn)分子燈的效率［8～11］。Zhang 等人［8］報(bào)道在射頻驅(qū)動(dòng)下 KrCl*準(zhǔn)分子燈可以達(dá)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(xiàn) ［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(xiàn) ［8，9］報(bào)道了采用水冷方式以獲取更高效率。

由于很難對(duì)222nm的輻射功率進(jìn)行精確測(cè)量，所以各個(gè)研究小組最佳參數(shù)和最佳效率相差很大［18］。在文獻(xiàn) ［8］，用化學(xué)方法即用尿苷來測(cè)量222nm的絕對(duì)輻射強(qiáng)度;而在文獻(xiàn) ［9～11］，則通過已定標(biāo)過的FEK-22 SPU光敏二極管配合示波器測(cè)得222nm的輻射功率。本文提出一種測(cè)量KrCl*準(zhǔn)分子燈效率的輻射測(cè)量方法，即測(cè)定紫外輻照度，再用Keitz公式［19］計(jì)算出輻射功率。Keith公式已被國(guó)際紫外線協(xié)會(huì) (IUVA)推薦用于低壓汞燈254nm輻射功率的測(cè)量［20］，本實(shí)驗(yàn)首次把它運(yùn)用于測(cè)量KrCl*準(zhǔn)分子燈222nm的輻射功率。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 KrCl*準(zhǔn)分子燈的制備

氯化氪準(zhǔn)分子燈是同軸的雙層石英套管，其結(jié)構(gòu)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(zhǎng)400mm;內(nèi)層石英管內(nèi)外徑分別為14/16mm，壁厚為1.0mm，管長(zhǎng)500mm。內(nèi)外管徑為37/40，36/40和14/16mm的石英管是GE214石英，而內(nèi)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?cè)?22nm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(wǎng)，內(nèi)電極為不銹鋼片。石英套管的環(huán)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(zhǔn)分子燈結(jié)構(gòu)圖

圖2 三種壁厚的石英玻璃在190～350nm的透過率

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。準(zhǔn)分子燈水平地?cái)R置在兩個(gè)聚四氟乙烯支架上，并由方波電源 (頻率40～70 kHz可調(diào))驅(qū)動(dòng)。用高壓探頭 (Tektronix P6015A)和電流探頭 (Pearson P4100)，配合數(shù)字存儲(chǔ)示波器 (Nicolet Sigma 60)測(cè)量準(zhǔn)分子燈的電壓、電流波形。紫外輻照度計(jì)探頭 (Hamamatsu H8025-222)和紫外輻照度計(jì) (Hamamatsu C8026)用于測(cè)量222nm的輻照度。探頭可沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。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(dǎo)線盡可能短，以減少輸入功率的損耗。

(1)輸入功率

準(zhǔn)分子燈的輸入功率Pin由瞬時(shí)功率 (即電壓電流瞬時(shí)值乘積)直接積分得出，

式中u是瞬時(shí)電壓，i是瞬時(shí)電流，T是周期，N是周期內(nèi)的采樣次數(shù)，Δt是采樣時(shí)間間隔。當(dāng)電壓電流波形存儲(chǔ)到示波器，輸入功率就可以由式 (1)計(jì)算得出。為了提高計(jì)算的精度，至少采樣兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)。

(2)輻射功率

因?yàn)闇?zhǔn)分子燈的直徑遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)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(jì)算得出［19，20］，

式中E是測(cè)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(fā)光長(zhǎng)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(zhǔn)分子燈的紫外輻照度計(jì)測(cè)得。因?yàn)镈≥2L，所以紫外探頭滿足余弦定律［20］。輻照度計(jì)采樣頻率是1個(gè)/s，至少采樣120個(gè)。

(3)紫外效率

根據(jù)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(jù)式 (3)得出222nm的輻射效率

可據(jù)此找出準(zhǔn)分子燈的最佳參數(shù)，如總氣壓、氯分壓、壁厚、放電間隙、輸入功率等。

3 結(jié)果和討論

3.1 KrCl*準(zhǔn)分子燈的光譜

KrCl*準(zhǔn)分子燈光譜由CCD光譜儀測(cè)得 (OceanOptics HR4000 CG-UV-NIR)，并用標(biāo)準(zhǔn)氘燈定標(biāo)(Mikropack DH2000-CAL)。圖5是 KrCl*準(zhǔn)分子燈在方波電源驅(qū)動(dòng)下的光譜，輸入功率300W，它在200～1000nm范圍內(nèi)只有222nm這一根強(qiáng)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(zhǔn)分子燈的光譜，燈功率400W

3.2 輸入功率

方波電源功率300W時(shí)，燈的電參數(shù)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(shí)間是 0.56 μs，頻率是50 kHz。當(dāng)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(zhǔn)分子燈的絲狀放電現(xiàn)象如圖7所示，放電絲圍繞著環(huán)狀放電間隙旋轉(zhuǎn)，也就是說放電絲在一個(gè)地方產(chǎn)生，在另一個(gè)地方消失。而有些細(xì)絲從接高壓電極的一端向另一端漂移。當(dāng)功率低于300W時(shí)，下部的放電絲明顯比上部少，但當(dāng)功率大于300W時(shí)，下部細(xì)絲增多，從而使整個(gè)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(zhǔn)分子燈的瞬時(shí)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(shí)間的變化

準(zhǔn)分子燈的發(fā)光長(zhǎng)度是32cm。燈在密封的房間內(nèi)工作，且沒有采取任何冷卻措施。在輸入功率300W時(shí)，用一熱成像儀 (Fluke IR FlexCam Ti45)測(cè)量燈的管壁溫度，10min內(nèi)穩(wěn)定在約144℃，其熱成像圖如圖8所示。輻照度隨時(shí)間的變化如圖9所示，當(dāng)?shù)入x子體穩(wěn)定后，管壁溫度也趨向穩(wěn)定。當(dāng)燈被點(diǎn)亮后并逐步變熱，輻照度會(huì)減少，這是因?yàn)樾纬蒏rCl*準(zhǔn)分子的反應(yīng)系數(shù)在高溫下減小。

初始、最高、最低和穩(wěn)定的輻照度值如表2所示。穩(wěn)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(wěn)定值，也就意味著在144℃下準(zhǔn)分子的復(fù)合和離解系數(shù)與室溫相比變化不大。

表2 準(zhǔn)分子燈的初始、最高、最低和穩(wěn)定的輻照度值

(2)測(cè)量距離對(duì)Keitz公式的影響

測(cè)量距離對(duì)輻射功率的影響如圖10所示。結(jié)果表明，從Keitz公式計(jì)算得出的輻射功率在測(cè)量距離50，80，100cm時(shí)變化很小 (<3%)。因此后面測(cè)量準(zhǔn)分子燈效率時(shí)把燈與探頭的距離固定在80cm。

圖7 方波電源驅(qū)動(dòng)下準(zhǔn)分子燈的放電現(xiàn)象

圖8 KrCl*準(zhǔn)分子燈熱成像圖

圖9 KrCl*準(zhǔn)分子燈輻照度隨時(shí)間的變化

3.4 輸入功率對(duì)效率的影響

圖10 KrCl*準(zhǔn)分子燈輻射功率隨測(cè)量距離的變化 (輸入功率300W)

圖11 KrCl*準(zhǔn)分子燈效率隨輸入功率的變化

根據(jù)3.2和3.3節(jié)所得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算了3種壁厚的KrCl*準(zhǔn)分子燈222nm在方波電源驅(qū)動(dòng)下5個(gè)設(shè)定功率的輻射效率。輸入功率對(duì)輻射效率的影響如圖11所示。當(dāng)功率大于200W，222nm的輻射效率明顯減小，這個(gè)趨勢(shì)與 Panchenko等人［10］的結(jié)論相吻合。這種現(xiàn)象可以由形成KrCl*準(zhǔn)分子的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程來解釋。KrCl*準(zhǔn)分子的產(chǎn)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(yīng)［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(dāng)功率增大時(shí)，電流和電子濃度增加導(dǎo)致Kr*的逐級(jí)電離和氯分子的減少。在150 Torr這一相對(duì)較低的氣壓下，占主導(dǎo)地位的形成機(jī)制是Harpooning反應(yīng) (式5)。因?yàn)橹鸺?jí)電離導(dǎo)致 Kr*的減少和高能電子導(dǎo)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(duì)效率的影響

方波電源的頻率對(duì)三種壁厚的 KrCl*準(zhǔn)分子燈效率的影響如圖12～圖14所示。對(duì)壁厚為1.5和2.0mm的KrCl*準(zhǔn)分子燈來說，頻率對(duì)效率幾乎沒有影響。但對(duì)于1.2mm的KrCl*準(zhǔn)分子燈來說，70 kHz下工作更好，因?yàn)檫@時(shí)效率高。

圖12 壁厚1.2mm的KrCl*準(zhǔn)分子燈效率隨頻率的變化

圖13 壁厚1.5mm的KrCl*準(zhǔn)分子燈效率隨頻率的變化

圖14 壁厚2.0mm的KrCl*準(zhǔn)分子燈效率隨頻率的變化

3.6 管壁厚度對(duì)效率的影響

如圖11，圖15所示，壁厚為1.2mm的KrCl*準(zhǔn)分子燈在方波電源驅(qū)動(dòng)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(zhì)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(shù)，t是管壁厚度。對(duì)于 GE 214石英，n=1.491，α=0.65cm－1，從式(6)計(jì)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(jì)算得出和測(cè)量所得的透過率非常吻合，且都大于80%。但對(duì)于壁厚為2.0mm的石英管來說，透過率的計(jì)算值和測(cè)量值相差很大，可能因?yàn)槠浣饘匐s質(zhì)、結(jié)構(gòu)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(duì)KrCl*準(zhǔn)分子燈效率的影響 (頻率50 kHz)

4 結(jié)論

本文研究了 KrCl*準(zhǔn)分子燈的輻射特性。在方波電源 (重復(fù)頻率40～70kHz)的驅(qū)動(dòng)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(huán)狀放電間隙旋轉(zhuǎn)，當(dāng)功率大于300W時(shí)，整個(gè)放電看上去比較均勻。1.2mm壁厚的KrCl*準(zhǔn)分子燈在頻率 40kHz，功率 200W 時(shí)，222nm的輻射效率達(dá)到最佳值8.1%。

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