ГАЗОРОЗРЯДНА ІМПУЛЬСНО-ПЕРІОДИЧНА УЛЬТРАФІОЛЕТОВА ЛАМПА НА ПАРАХ МІДІ ТА ЦИНКУ

Газорозрядна імпульсно-періодична ультрафіолетова лампа на парах міді і цинку, що містить систему металевих електродів, діелектричний корпус, джерело високовольтних наносекундних імпульсів, яка відрізняється тим, що один електрод виконаний з міді, а інший - з цинку, робочі частини електродів мають радіус заокруглення 3 мм, відстань між електродами становить 2 мм, робочим середовищем є аргон під тиском 200 кПа, при цьому лампа забезпечує випромінення у спектральному діапазоні 200-330 нм при частоті повторення імпульсів накачування до 1000 Гц, з формуванням випромінювання на переходах атомів та однозарядних іонів міді i цинку.

Винахід належить до фізики газорозрядної плазми і світлотехніки і може бути використаний у наноелектроніці, фотохімії, фотобіології і фотомедицині. Відома газорозрядна ультрафіолетова лампа на парах води з двома діелектричними бар'єрами, яка працює на сумішах аргону з парами води і випромінює на смузі радикалу гідроксилу (ОН) з максимумом при 309,2 нм [1]. Збудження розряду відбувалось імпульсами напруги у формі меандра з тривалістю 1,5 мкс, амплітудою до 5 кВ і частотою слідування імпульсів напруги в діапазоні 26-96 кГц. Оптимальний парціальний тиск парів води складав близько 1,3 мм рт. ст., а аргону - 200-350 мм рт. ст. Максимальна потужність ультрафіолетового випромінювання лампи досягала 1,1 Вт, а коефіцієнт корисної дії - 0,45 %. Основними недоліками цієї лампи є велика тривалість імпульсів ультрафіолетового випромінювання (1-1,5 мкс), що не сприяє одержанню високої імпульсної потужності випромінювання, значні габарити випромінювача лампи (довжина L=30 см) і плазмового середовища, неузгодженість спектра випромінювання лампи з основними смугами поглинання молекул ДНК. До недоліків також можна віднести наявність кварцової трубки у випромінювача, яка може бути зруйнована при застосуванні в екстремальних польових умовах. Найближчим аналогом за технічною суттю та ефектом, який досягається, є газорозрядна точкова лампа на парах заліза з плазмовим середовищем у вигляді циліндра з основою діаметром 1 мм та висотою 3 мм, яка працювала на суміші аргону з повітрям або азотом і випромінювала на смугах другої додатної системи молекули азоту в спектральній області 300-400 нм при міжелектродній віддалі 2-3 мм і системі спектральних ліній атома заліза в спектральному діапазоні 250-270 нм [2]. Лампа збуджувалась імпульсами напруги амплітудою 10-14 кВ і субнаносекундної тривалості, коли на передньому фронті імпульсу напруги формується пучок електронів-втікачів, який супроводжується рентгенівським випромінюванням. Тривалість імпульсів випромінювання не переважала 2-3 нc. Основним недоліком цієї газорозрядної лампи є наявність кварцової оболонки з газовою сумішшю та неузгодженість спектра випромінювання атомів заліза та однозарядних іонів заліза з основним максимумом поглинання молекул ДНК (200-220 нм). Задача винаходу полягає у створенні газорозрядної імпульсно-періодичної ультрафіолетової лампи на парах міді і цинку, випромінювання якої потрапляє в основний максимум поглинання молекули ДНК. Поставлена задача вирішується таким чином, що запропонована газорозрядна імпульсно-періодична ультрафіолетова лампа на парах міді і цинку, що містить систему металевих електродів, діелектричний корпус, джерело високовольтних наносекундних імпульсів, де згідно з винаходом, один електрод виконаний з міді, a інший - з цинку, робочі частини електродів мають радіус заокруглення 3 мм, відстань між електродами становить 2 мм, робочим середовищем є аргон під тиском 200 кПа, при цьому лампа забезпечує випромінення у спектральному діапазоні 200-330 нм при частоті повторення імпульсів накачування до 1000 Гц, з формуванням випромінювання на переходах атомів та однозарядних іонів міді і цинку. Перевагами даної газорозрядної імпульсно-періодичної ультрафіолетової лампи на парах цинку і міді є її екологічність, на відміну від ртутних люмінесцентних джерел світла, малий об'єм робочого середовища, недороге газове наповнення, яким є аргон і вузький спектр випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль, який зосереджений переважно в спектральному діапазоні 200-330 нм. Тривалість імпульсів напруги складала 50-100 нc, а їх амплітуда досягала ±20-40 кВ. Комутатором в модуляторі служив водневий імпульсний тиратрон ТГИІ-1000-25. Імпульси напруги з модулятора підсилювались в чотири рази за допомогою імпульсного кабельного трансформатора. Реєстрація світлин наносекундного розряду здійснювалась за допомогою цифрового фотоапарата. Спектри випромінювання лампи реєструвались з використанням монохроматора МДР-2 і фотопомножувача "ФЭУ-106". Спектрофотометр попередньо калібрувався за випромінюванням дейтерієвої і "банд" ламп, що дозволяло в спектральній області 200-650 нм реєструвати відносні інтенсивності спектральних ліній. Вимірювання абсолютної потужності випромінювання точкової лампи відбувалось за допомогою ультрафіолетового вимірювача абсолютної потужності випромінювання "ТКА-ПКМ". На Фіг. 1 наведена будова газорозрядної імпульсно-періодичної ультрафіолетової лампи на парах цинку і міді. Розрядна комірка лампи (1) виготовлена з діелектрика. Електрод (2) виготовлено з міді, а електрод (3) виготовлено з цинку. Діаметр циліндричних мідних (2) і цинкових електродів (3) складає 5 мм, а радіус заокруглення робочої торцевої частини електродів рівний 3 мм. Газорозрядна імпульсно-періодична ультрафіолетова лампа на парах цинку і міді працює наступним чином. При поданні на металеві електроди лампи наносекундних імпульсів напруги амплітудою ±(20-40) кВ, між кінчиками електродів запалюється просторово однорідний розряд короткої тривалості. При міжелектродній віддалі 2 мм розрядний проміжок сильно перенапружений, що створює сприятливі умови для формування пучка електронів високої енергії, які вступають в режим неперервного прискорення і залишають розрядний проміжок (так звані електрони-втікачі). Явище "втечі" електронів із коротких розрядних проміжків приводить до розпорошення електродів, появі супутнього рентгенівського випромінювання, яке сприяє запалюванню просторово-однорідного розряду в аргоні високого тиску навіть у проміжках із нерівномірним розподілом напруженості електромагнітного поля. Розпилені атоми міді та цинку надходять в розрядний проміжок і збуджуються електронами розряду, що призводить до утворення збуджених атомів. Останні спонтанно розпадаються з випромінюванням в спектральному інтервалі 200-330 нм. Розміри плазми по горизонталі і вертикалі складають близько 0,5 мм. Розряд є досить однорідним, що зумовлено дією системи попередньої іонізації, роль якої в лампі виконує пучок електронів-втікачів, який формується на передньому фронті імпульсу струму, та супутнє йому рентгенівське випромінювання. На Фіг. 2 приведені осцилограми імпульсів струму, напруги й імпульсна потужність перенапруженого наносекундного розряду в аргоні при тиску 200 кПа між електродом з міді та цинку і віддалі між ними 2 мм. При тиску аргону 200 кПа (Фіг. 2) перепад напруг різної полярності в початковій фазі розряду при тривалості 10-30 нс досягав 15 кВ, а струму ±80-100 А. Максимальна величина електричної імпульсної потужності досягала 2,5 МВт при тривалості 50 нс. Основний енергетичний внесок в плазму здійснювався протягом перших 100 не з моменту запалювання перенапруженого наносекундного розряду. Енергія одного розрядного імпульсу досягала ≈373,8 мДж (Фіг. 2). На Фіг. 3 і 4 представлені спектри випромінювання лампи при тисках аргону - 50 і 200 кПа, відповідно. В таблиці приведені результати ідентифікації спектральних ліній, наведених в спектрах Фіг. 3 і 4. Основна інтенсивність випромінювання плазми була зосереджена в спектральному інтервалі 200-330 нм. В цій ділянці спектра основними були спектральні лінії атомів та однозарядних іонів міді і цинку. При збільшенні тиску аргону від 50 до 200 кПа інтенсивність всіх спектральних ліній міді та цинку з спектрального інтервалу 200-330 нм зростала. Тому оптимальним для лампи був тиск аргону рівний 150-200 кПа. ТаблицяРезультати ідентифікації спектрів випромінювання плазми перенапруженого наносекундного розряду між електродом з міді і електродом з цинку при р(Аr)=150 кПа і віддалі між електродами - 2 мм№табл., нмIексп. відн. од.Об'єктEнижн., eBЕвeрх., eBТермнижн.Термверх.1214,892,27Cu ІІ1,397,184s2 2D5f 2F°2216,502,50Сu І0,005,724s 2S4p' 2D°3217,493,59Cu ІІ8,9214,614p 1F°4d 1G4220,053,92Cu ІІ9,0614,704p 3D°4d 3F5221,455,03Сu I1,396,984s2 2D4p" 2P°6223,843,32Сu I1,647,184s2 2D5f 2F°7224,704,69Cu II2,728,234s 3D4p 3P°8226,305,04Сu I1,647,124s2 2D7p 2P°9227,625,05Cu II2,988,424s 3D4p 3P°10229,432,88Cu II2,838,234s 3D4p 3P°11230,313,65Сu I1,647,024s2 2D4p" 2D°12236,983,58Cu II3,268,494s 1D4p 3F°13239,262,57Сu I1,646,824s2 2D6p 2P°14244,163,67Сu I0,005,084s 2S4p' 4P°15249,213,25Сu I0,004,974s 2S4p' 4P°16254,483,21Cu II8,5213,394p 3F°5s 3D17261,833,57Сu I1,396,124s2 2D5p 2P°18279,174,4Cu II14,3318,774d 3G6f 3H°19282,434,3Сu I1,395,784s2 2D4p' 2D°20306,344,72Сu I1,645,684s2 2D4p' 2P°21324,7514,89Сu I03,824s 2S4p 2P°22327,3912,08Сu I03,394s 2S4p 2P°23350,056,76N2Друга додатна система C3Пu+-B3Пg+ (2;3)24357,697,64N2Друга додатна система C3Пu+-B3Пg+ (0;1)25420,064,11Ar І11,5514,504s [½]°5p [2½]26425,934,32Ar І11,8314,744s' [½]°5p' [½]27430,013,89Ar І11,6214,514s [1½]°5p [1½]28433,353,36Ar І11,8314,694s' [½]5p' [1½]29440,095,03Ar ІІ16,4419,263d 4D4p 4P°30442,393,99Ar І11,7214,524s' [½]°5p' [1½]31447,474,77Ar ІІ18,6621,433d 2D4p' 2P°32451,073,55Ar11,8314,584s' [½]°5p [½]33459,603,08Ar11,8314,524s' [½]°5p' [1½]34462,843,42Ar11,8314,514s' [½]°5p [2½]35470,232,94Ar11,8314,464s' [½]°5p' [1½]36476,863,23Ar12,9115,514p [½]6d' [1½]°37483,663,28Ar12,9115,474p [½]9s [1½]38487,622,83Ar12,9115,454p [½]7d [1½]39492,103Ar13,0915,614p [2½]10d [3'/2]40511,822,37Ar І13,0915,524p [2½]6d' [2½]°41516,222,89Ar I12,9115,314p [½]6d [½]42518,772,91Ar I12,9115,304p [½]5d' [1l/2]°43521,822,59Сu I3,826,194p 2P°4d 2D44525,273,07Ar I13,0915,454p [2½]7d [3½]45570,022,08Сu I1,643,824s2 2D4p 2P°46601,361,98Ar I13,0815,144p [2½]5d [l/2]°47617,011,92Ar I13,1715,184p [1½]7s [1½]°48653,812,3Ar I13,0814,954p [2½]4d' [½]°49656,292,14НН13,0814,954p [2½]4d' [½]° Максимальна густина потужності УФ-випромінювання лампи в бактерицидній ділянці спектра (ФФ=200-280 нм) досягала 12 мВт/м2 при тиску аргону рівному 200 кПа, величині напруги на аноді тиратрона високовольтного модулятора - 20 кВ, та частоті слідування розрядних імпульсів - 80 Гц. Газорозрядна імпульсно-періодична ультрафіолетова лампа на парах цинку і міді, яка випромінює в спектральному діапазоні 200-330 нм, може використовуватись для очистки повітря від бактерій, стерилізації продовольчих матеріалів в консервному виробництві, стерилізації медичних інструментів і матеріалів та у фотобіології і фотомедицині. Джерела інформації: 1. Соснин Э.А., Ерофеев М.В., Авдеев С.М., Панченко А.Н. и др. Ультрафиолетовая лампа барьерного разряда на молекулах ОН // Квантовая электроника. - 2006. Т. 36, № 10. - С. 981-983. - Аналог. 2. Бакшт Е.Х., Тарасенко В.Ф., Шутько Ю.В., Ерофеев М.В. Точечный источник УФ - излучения с частотой 1 кГц и короткой длительностью импульсов // Известия ВУЗов. Физика. - 2011. № 11. - С. 91-94. - Найближчий аналог.