管壁厚度和方波电源频率对氯化氪准分子灯效率的影响

庄晓波 朱绍龙 张善端

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

准分子是一种处于激发状态的双原子分子(excited dimmer，简写为excimer)，不存在稳定的基态。通常情况下，准分子存在时间为纳秒量级，然后通过自发辐射的方式跃迁回到能量较小的状态时就会辐射出光子，同时分解为原子。

表1 稀有气体卤化物准分子的辐射波长 (nm)

准分子光源的用途可分为两大类。第一类是照明用途，即可以把准分子光源做成对环境无污染的无汞光源，如(172nm)用做平面照明光源;另一类是非照明用途，即紫外光源。与传统低压汞灯的汞原子光谱相比，准分子由于没有稳定的基态，不存在基态的自吸收，因此准分子灯可以很大的功率密度发射窄带辐射。

准分子紫外光源的放电形式有多种多样，其中包括高气压辉光放电、介质阻挡放电、高频电容放电、微波放电以及空心阴极放电等，它们都能有效地激发准分子发光。其中，介质阻挡放电 (DBD)由于其结构简单、经济实用，在研究和应用中被大量采用。由DBD驱动的准分子灯无内电极，避免了电极与等离子体接触后发生的腐蚀和溅射，是一种潜在的长寿命紫外光源，还可根据各种需求改变形状和尺寸。

大多数光化学和光物理应用都需要在特定波长区域有强辐射。比如低压汞灯的254nm辐射适用于大部分场合，但这个波长对去除氯脂化合物完全无效［15］，原因是它与氯脂化合物在210～230nm的吸收峰不匹配。KrCl*准分子灯的222nm窄带辐射被含氯烃吸收的效率很高，可用于光氧化四氯乙烯、三氯乙烯、二氯乙烯、氯乙烯以及一些饱和氯代烃类［16］，已被证明在水处理和空气净化等方面有很大的用处［17，18］。

KrCl*准分子灯多为同轴结构的DBD驱动，但管径、最佳充气条件和电源都不一样。一些研究小组给 出了 KrCl*准分子灯的效率［8～11］。Zhang 等人［8］报道在射频驱动下 KrCl*准分子灯可以达到最大效率15% (电压3.5～10kV，频率125～375 kHz，氯气压15 Torr，总气压225 Torr)。但在文献 ［9～11］，最佳效率为10% ～15%，最佳充气压分别是200 Torr(Kr∶Cl2=200∶(1 －0.5))，150 ～200 Torr(Kr∶Cl2=100∶1)，以及 500 Torr(Kr∶Cl2=50∶1)。值得注意的是文献 ［8，9］报道了采用水冷方式以获取更高效率。

由于很难对222nm的辐射功率进行精确测量，所以各个研究小组最佳参数和最佳效率相差很大［18］。在文献 ［8］，用化学方法即用尿苷来测量222nm的绝对辐射强度;而在文献 ［9～11］，则通过已定标过的FEK-22 SPU光敏二极管配合示波器测得222nm的辐射功率。本文提出一种测量KrCl*准分子灯效率的辐射测量方法，即测定紫外辐照度，再用Keitz公式［19］计算出辐射功率。Keith公式已被国际紫外线协会 (IUVA)推荐用于低压汞灯254nm辐射功率的测量［20］，本实验首次把它运用于测量KrCl*准分子灯222nm的辐射功率。

2 实验

2.1 KrCl*准分子灯的制备

氯化氪准分子灯是同轴的双层石英套管，其结构图如图1所示，外层石英管外径为40mm，壁厚分别为1.2、1.5、2.0mm，管长400mm;内层石英管内外径分别为14/16mm，壁厚为1.0mm，管长500mm。内外管径为37/40，36/40和14/16mm的石英管是GE214石英，而内外管径为37.6/40mm的石英管是Heraeus石英。3种壁厚的石英玻璃在190～350nm的透过率如图2所示，它们在222nm处(图中虚线)的透过率分别为85.0%，81.3%和67.6%。外电极为不锈钢网，内电极为不锈钢片。石英套管的环状间隙分别为10.8，10.5和10.0mm，充有高纯氯气和氪气。

图1 KrCl*准分子灯结构图

图2 三种壁厚的石英玻璃在190～350nm的透过率

图3 实验装置示意图

2.2 实验装置和测量方法

实验装置如图3所示。准分子灯水平地搁置在两个聚四氟乙烯支架上，并由方波电源 (频率40～70 kHz可调)驱动。用高压探头 (Tektronix P6015A)和电流探头 (Pearson P4100)，配合数字存储示波器 (Nicolet Sigma 60)测量准分子灯的电压、电流波形。紫外辐照度计探头 (Hamamatsu H8025-222)和紫外辐照度计 (Hamamatsu C8026)用于测量222nm的辐照度。探头可沿着导轨移动。为了尽量减少反射光，探头周围的所有反射面都包裹上可吸光的黑色天鹅绒布。电源的导线尽可能短，以减少输入功率的损耗。

(1)输入功率

准分子灯的输入功率Pin由瞬时功率 (即电压电流瞬时值乘积)直接积分得出，

式中u是瞬时电压，i是瞬时电流，T是周期，N是周期内的采样次数，Δt是采样时间间隔。当电压电流波形存储到示波器，输入功率就可以由式 (1)计算得出。为了提高计算的精度，至少采样两个周期的数据。

(2)辐射功率

因为准分子灯的直径远小于其长度，所以可以把它看成线光源，222nm的辐射功率Prad可由Keitz公式计算得出［19，20］，

式中E是测量得到的辐照度 (W·m－2)，D是灯中心到紫外探头的距离 (m)，L是灯的发光长度 (m)，α是半顶角，如图4所示，即tgα=L/(2D)。

图4 灯和紫外探头的几何位置示意图

222nm辐照度由垂直于KrCl*准分子灯的紫外辐照度计测得。因为D≥2L，所以紫外探头满足余弦定律［20］。辐照度计采样频率是1个/s，至少采样120个。

(3)紫外效率

根据上面算得的紫外辐射功率Prad和输入功率Pin，我们就可以根据式 (3)得出222nm的辐射效率

可据此找出准分子灯的最佳参数，如总气压、氯分压、壁厚、放电间隙、输入功率等。

3 结果和讨论

3.1 KrCl*准分子灯的光谱

KrCl*准分子灯光谱由CCD光谱仪测得 (OceanOptics HR4000 CG-UV-NIR)，并用标准氘灯定标(Mikropack DH2000-CAL)。图5是 KrCl*准分子灯在方波电源驱动下的光谱，输入功率300W，它在200～1000nm范围内只有222nm这一根强线，且半值全宽度 (FWHM)为1.73nm。在750～900nm有几根弱的氪原子谱线。

图5 KrCl*准分子灯的光谱，灯功率400W

3.2 输入功率

方波电源功率300W时，灯的电参数波形如图6所示，电压电流波形有一些阻尼振荡，电流比电压超前 0.18 μs。电压波形上升时间是 0.56 μs，频率是50 kHz。当功率从100W到500W逐步增大，电压的峰-峰值从6.73增大到11.73kV，电流有效值从0.28到0.73 A变化。准分子灯的丝状放电现象如图7所示，放电丝围绕着环状放电间隙旋转，也就是说放电丝在一个地方产生，在另一个地方消失。而有些细丝从接高压电极的一端向另一端漂移。当功率低于300W时，下部的放电丝明显比上部少，但当功率大于300W时，下部细丝增多，从而使整个放电看上去比较均匀。大部分放电丝的形状是线状，但小部分丝在外管壁处有分叉。

图6 壁厚1.2mm的KrCl*准分子灯的瞬时电压、电流和功率波形图

3.3 辐照度和辐射功率

(1)辐照度随时间的变化

准分子灯的发光长度是32cm。灯在密封的房间内工作，且没有采取任何冷却措施。在输入功率300W时，用一热成像仪 (Fluke IR FlexCam Ti45)测量灯的管壁温度，10min内稳定在约144℃，其热成像图如图8所示。辐照度随时间的变化如图9所示，当等离子体稳定后，管壁温度也趋向稳定。当灯被点亮后并逐步变热，辐照度会减少，这是因为形成KrCl*准分子的反应系数在高温下减小。

初始、最高、最低和稳定的辐照度值如表2所示。稳定后的辐照度值与初始值之比Esta/E0=0.967，这表明方波电源的初始值非常接近稳定值，也就意味着在144℃下准分子的复合和离解系数与室温相比变化不大。

表2 准分子灯的初始、最高、最低和稳定的辐照度值

(2)测量距离对Keitz公式的影响

测量距离对辐射功率的影响如图10所示。结果表明，从Keitz公式计算得出的辐射功率在测量距离50，80，100cm时变化很小 (<3%)。因此后面测量准分子灯效率时把灯与探头的距离固定在80cm。

图7 方波电源驱动下准分子灯的放电现象

图8 KrCl*准分子灯热成像图

图9 KrCl*准分子灯辐照度随时间的变化

3.4 输入功率对效率的影响

图10 KrCl*准分子灯辐射功率随测量距离的变化 (输入功率300W)

图11 KrCl*准分子灯效率随输入功率的变化

根据3.2和3.3节所得到的数据，计算了3种壁厚的KrCl*准分子灯222nm在方波电源驱动下5个设定功率的辐射效率。输入功率对辐射效率的影响如图11所示。当功率大于200W，222nm的辐射效率明显减小，这个趋势与 Panchenko等人［10］的结论相吻合。这种现象可以由形成KrCl*准分子的反应动力学过程来解释。KrCl*准分子的产生方式可以是氪离子、氯离子和中性原子之间的三体碰撞，

也可以是 Harpooning 反应［4，8，10－11］，式中M是三体碰撞粒子，可为原子、分子或者其他粒子。当功率增大时，电流和电子浓度增加导致Kr*的逐级电离和氯分子的减少。在150 Torr这一相对较低的气压下，占主导地位的形成机制是Harpooning反应 (式5)。因为逐级电离导致 Kr*的减少和高能电子导致氯分子的解离，222nm辐射将随着功率增大而减少，因此效率下降。

3.5 频率对效率的影响

方波电源的频率对三种壁厚的 KrCl*准分子灯效率的影响如图12～图14所示。对壁厚为1.5和2.0mm的KrCl*准分子灯来说，频率对效率几乎没有影响。但对于1.2mm的KrCl*准分子灯来说，70 kHz下工作更好，因为这时效率高。

图12 壁厚1.2mm的KrCl*准分子灯效率随频率的变化

图13 壁厚1.5mm的KrCl*准分子灯效率随频率的变化

图14 壁厚2.0mm的KrCl*准分子灯效率随频率的变化

3.6 管壁厚度对效率的影响

如图11，图15所示，壁厚为1.2mm的KrCl*准分子灯在方波电源驱动下有着最高的效率。原因可能是薄管壁使222nm的辐射吸收小，并且在高频高压下介质热损耗小。透过率τ可由下式得出:

式中n是折射率，α是吸收系数，t是管壁厚度。对于 GE 214石英，n=1.491，α=0.65cm－1，从式(6)计算得出壁厚为1.2，1.5和2.0mm的透过率分别为85.4%，83.8%和81.1%。

从表3可以看出壁厚为1.2和1.5mm的石英管来说，计算得出和测量所得的透过率非常吻合，且都大于80%。但对于壁厚为2.0mm的石英管来说，透过率的计算值和测量值相差很大，可能因为其金属杂质、结构缺陷和羟基含量多一些。

表3 石英管在222nm的透过率

图15 壁厚对KrCl*准分子灯效率的影响 (频率50 kHz)

4 结论

本文研究了 KrCl*准分子灯的辐射特性。在方波电源 (重复频率40～70kHz)的驱动下，随着功率的变大，电压的峰-峰值从 6.73kV增大到11.73kV，电流有效值从0.28A到0.73A变化。放电丝围绕着环状放电间隙旋转，当功率大于300W时，整个放电看上去比较均匀。1.2mm壁厚的KrCl*准分子灯在频率 40kHz，功率 200W 时，222nm的辐射效率达到最佳值8.1%。

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