纳秒脉冲电源驱动提高KrCl*准分子灯辐射效率的实验研究

陈古源 高岚 庄晓波 张善端 刘克富

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

近年来，紫外光源技术已成为微电子、医药、化工、卫生和环保等领域中基础性的和关键性的技术。所有这些应用均要求光源有较窄的辐射光谱和一定的辐射光强度。例如在环保领域，只有在紫外辐射的波长与待处理的有机物吸收波长相匹配的情况下，处理效率才能达到最大。传统的低气压汞灯发射的紫外光谱只有185nm和254nm两条可用，而惰性气体灯辐射的紫外光强又相对较弱，不符合应用的要求。

介质阻挡放电能够激发生成各种波长的高效准分子紫外辐射，基于此而制成的准分子紫外光源完全满足实际应用的需要。但是目前紫外准分子灯的紫外辐射效率仍然相对较低。一些研究者也对提高稀有气体—卤素准分子光源的效率进行了研究，但是很多都是改进几何结构以及寻找最佳充气压和稀有气体卤素最佳配比等。很少有文献指出驱动电源的参数对于辐射效率的影响。为了寻找更加合适的电源参数以提高准分子灯的工作效率，本文进行了实验研究，分析不同电源参数 (激励类型、极性、频率、幅值等)对于KrCl*准分子灯的工作特性的影响并作了简要分析。

2 实验架构

2.1 测量方法

对222nm的辐射功率进行精确测量比较困难，所以各个研究小组最佳参数和最佳效率相差很大。在文献［1］，用化学方法测量 222nm的绝对辐射强度;而在文献［2］，则通过已定标的光敏二极管配合示波器测辐射功率。本实验采用［3］中的测量方法，通过测定紫外辐照度，再用 Keitz公式［4］计算出辐射功率。

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。

式中，E——测量得到的辐照度 (Wm－2);

D——灯中心到紫外探头的距离 (m);

L——灯的发光长度 (m);

α——半顶角，如图1所示。

根据Keitz公式测得辐射功率后，再通过示波器获得电压电流波形，积分就可以得到准分子灯的输入功率。

式中，u——瞬时电压;

图1 灯和紫外探头的测量示意图

i—— 瞬时电流;

T—— 周期;

N——周期内的采样个数;

Δt——间隔时间。

最后根据得到的紫外辐射功率Prad和输入功率 Pin，我们就可以根据式得出准分子灯222nm的紫外辐射效率:

从而根据对比不同电源工作下辐射效率的高低，寻找出电源参数对于准分子灯工作特性的影响。

2.2 实验装置

实验中使用的准分子灯，充气压:150托，壁厚:1.5mm，用不同的电源驱动。用高压探头(Tektronix P6015A)和电流探头 (Pearson P4100)配合示波器 (Tektronix DPO 4032)测量电压电流波形。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。

实验中使用的纳秒脉冲电源是先前我们自行设计的，具体参数如表1所示，典型波形如图2所示

表1 纳秒脉冲电源参数表

3 实验结果

设计了几组对比实验，首先比较了正弦电源和脉冲电源对准分子灯工作的影响，然后就脉冲电源极性、电压幅值、工作频率等参数的影响进行了比较研究。

图2 脉冲电源的典型波形图

3.1 激励类型

分别使用正弦电源和脉冲电源驱动准分子灯，两种电源的电压幅值均为6kV。实验结果如表2所示。

表2 激励类型对于准分子灯的特性影响

根据实验结果，可以得出在相同的电压驱动下，两者紫外辐射强度接近，但脉冲电源消耗的电功率明显低于正弦电源消耗的电功率。因此，用纳秒脉冲驱动准分子灯，紫外辐射的效率较高，和正弦驱动相比，效率提高86.5%。

用纳秒脉冲驱动准分子灯可以获得更高的效率，因为在快脉冲激励下，可以有效减小电子与原子或分子之间发生弹性碰撞的概率，从而将主要能量直接加到电子上，有利于激发原子和分子。

3.2 电源极性

在电压幅值为5kV，频率50kHz条件下实验分别对比了在不同极性的电源驱动下，准分子灯的紫外辐射效率。实验数据如表3所示。

表3 电源极性对于准分子灯的特性影响

双向脉冲电源驱动下，一个周期内有两次放电，放电功率与紫外辐射功率都相应比单向脉冲高，而紫外辐射的效率与单向脉冲比较接近，单向负脉冲驱动效率略高一些。这一结果与文献［5］中的结论一致。

脉冲电源的极性不同，对于介质阻挡放电的特性并没有显著的影响，因此产生准分子的等离子体化学过程同样没有明显的差别，相应的也没有影响灯的工作特性。实验中单向负脉冲效果略好一些，可能是因为在负高压脉冲放电过程中，电源能馈入更多的能量。

3.3 电压幅值

为了比较电压幅值对于紫外准分子灯工作特性的影响，在工作频率50kHz、单向负脉冲条件下，分别对比了在不同电压幅值驱动下的准分子灯的工作特性。具体结果如图3所示。

图3 电压幅值对于准分子灯的特性影响

从实验数据可以看出，随着电源电压幅值的增加，准分子紫外辐射强度相应提高，但能量转换效率随之下降。

紫外辐射功率随着电压的升高而升高，这是因为电压幅度的增加，放电过程中有更多的能量引起激发和电离反应，即产生的KrCl*准分子数量增加，准分子辐射强度随之增加。

紫外辐射效率随着电压的升高而减少，即消耗电功率增加的速率超过了紫外辐射功率增加的速率。这是由于电压增加而相应增加的电功率，一部分用于增加紫外辐射功率，但是大部分能量转变成热能，进而导致了能量转换效率的下降。

3.4 脉冲频率

类似的，为了比较电源频率对于紫外准分子灯工作特性的影响，在工作电压5kV、单向负脉冲条件下，分别对比了在不同工作频率下的准分子灯的工作特性。具体结果如图4所示。

图4 脉冲频率对于准分子灯的特性影响

实验发现，随着脉冲电压频率的升高，紫外辐射功率随之增加，且基本成一线性关系;紫外辐射效率随频率升高变化不明显，50kHz略好一些。

脉冲电源的频率上升，单位时间内放电的次数增加，紫外光输出提高。但相应消耗的电功率也增加。而从实验结果看出，紫外辐射效率随频率变化几乎不变。

4 分析

实验中得到的纳秒脉冲电源驱动效率高于正弦电源驱动，结果可以从以下两个方面进行解释。第一，两者电源相比，纳秒脉冲电源有着更快的电压时间梯度即更高的du/dt。上升沿陡直，电子在高的约化电场 (E/n)作用下获得足以电离气体中原子或分子的能量，有利于激发电离原子和分子并相应产生准分子，辐射紫外光。上升沿陡直，电压上升的时间很短，在这较短的时间内，电子和原子或分子发生弹性碰撞的次数将会减少，而这部分能量将转化为热能耗散出去。第二，从介质阻挡放电的放电类型的角度，陡直的下降沿会使储存在空间和介质表面累积电荷中的能量瞬间释放并在气体中引发二次放电。脉冲电压驱动的DBD中存在二次放电现象，以起到自擦除效应，消除记忆电荷的影响［6］。从二次放电的过程中，电子同样可以获得能量激发原子分子。而正弦驱动时，由于缓慢的下降沿，观察不到二次放电的产生，记忆电荷将对放电产生影响。即先前放电沉积在介质表面的电荷对随后的近邻放电有屏蔽作用，其中的约化场强有所变化，导致在同一电压半周期中后阶段微放电通道中激发和电离程度下降;功率增加的速率超过了光辐射强度的变化，而场能大部分转变成热能，进而导致了能量转换效率的下降。

另外实验中还得到，脉冲电源的频率并不影响紫外辐射的效率。这一结论与正弦电源驱动下的结果不同。准分子灯在正弦电压驱动下，较高的工作频率有着较高的效率［5］。因为对于正弦电压驱动，更高的频率并不只意味着单位时间内放电次数的增加，还意味着更高的电压的时间变化率。电压时间变化率du/dt提高，正如前面的分析，可以有效减小电子与原子或分子之间发生弹性碰撞的概率，从而将主要能量直接加到电子上，有利于激发原子和分子。因此，增加正弦驱动电压的频率会有助于提升转换效率。而对于脉冲电压驱动的情形，频率的高低不会影响电压的时间变化率，即不会影响电压的上升沿和下降沿。提高频率仅仅只是增加了单位时间内的放电次数，介质阻挡放电类型并没有改变，对紫外辐射效率的影响也很小。

5 结论与展望

上述实验结果表明，电源因素对紫外准分子灯光辐射的影响可初步概括为如下几点:

纳秒脉冲电源驱动紫外准分子灯的紫外辐射效率，比正弦电压驱动有显著提高;脉冲电源的极性对灯的工作特性没有显著的影响;增加电源电压幅值可提高准分子紫外辐射强度，但紫外辐射效率下降;脉冲电源的频率增加，紫外辐射强度相应增加，而紫外辐射效率基本不变。

由于实验条件所限，本次实验并未比较脉冲上升沿对于紫外准分子灯辐射效率的影响，下一步将继续进行更快参数脉冲驱动下的改善准分子灯效率的研究。

［1］Zhang JY，Boyd IW．Efficient excimer ultraviolet sources from a dielectric barrier discharge in rare-gas/halogen mixtures［J］．J Appl Phys，1996，80(2):633～638．

［2］Lomaev M I，Tarasenko V F，Shitts D V．An effective high-power KrCl*excimer barrier-discharge lamp ［J］．Technical Physics Letters，2002，28(1):33～35．

［3］庄晓波，朱绍龙等．管壁厚度和方波电源频率对氯化氪准分子灯效率的影响 ［J］．照明工程学报，2010，6．

［4］Keitz H A E．Light Calculations and Measurements［M］．London ，UK:Macmillan and Co Ltd，1971．

［5］徐金洲，梁荣庆等．电源对介质阻挡放电 (DBD)激发准分子 (XeCl*)辐射的影响［J］．真空科学与技术学报，2002，5．

［6］Shuhai Liu， Manfred Neiger． Electrical modelling of homogeneous dielectric barrier discharge under an arbitrary excitation voltage［J］．J Appl Phys．36(2003):3144 ～3150．