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管壁厚度和方波电源频率对氯化氪准分子灯效率的影响[1]

《照明工程学报》2010—2012年优秀论文评选 二等奖

2013-8-16  来源:照明工程学报  作者:庄晓波 朱绍龙 张善端  有6756人阅读

  本文介绍了基于介质阻挡放电( DBD) 的KrCl* 准分子灯的光谱、输入功率以及222nm 的辐射效率。KrCl* 准分子灯为同轴结构,内管内/ 外径为14 /16mm,外管外径为40mm,壁厚分别为1. 2,1. 5,2. 0mm。灯中充有1. 5 Torr 氯气(Cl2) 和148. 5 Torr 氪气(Kr) ,总气压为150 Torr。灯用方波电源来驱动。222nm 的辐射功率由Keitz 公式计算得出,而灯电功率则通过高压探头和电流互感器结合示波器测量得出。

  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。

  准分子一般包括稀有气体( Rg*2)[1 ~ 6]、卤素(X*2)[4 ~ 7]、稀有气体-卤素( RgX* )[3 ~ 6,8 ~ 13]以及汞-卤素(HgX* )[6,12,14]二聚物,其光谱是位于紫外(UV) 和真空紫外(VUV) 区域的窄带辐射。卤素分子F*2,Cl*2,Br*2和I*2的波长分别为158,259,289,342nm; 稀有气体准分子He*2,Ne*2,Ar*2,Kr*2,Xe*2的波长分别为74,84,126,146,172nm.稀有气体-卤素准分子的波长见表1。

  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Xe*2( 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。

  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( TektronixP6015A) 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( HamamatsuH8025-222) 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)。

 

  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。

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