Например, Бобцов

Разработка и изготовление источников УФ и ВУФ излучения в ГОИ им. С.И. Вавилова

УДК 535.89.31 РАЗРАБОТКА И ВЫПУСК ИСТОЧНИКОВ УФ И ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2012 г. И. А. Невяжская*; В. А. Тяпков*; Н. В. Шилина**; В. Б. Шилов*,**, доктор техн. наук ** НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** E-mail: shilov@npkgoi.ru

Рассмотрены газоразрядные источники ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучений, разработанные в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова. Приведены основные характеристики ламп с дуговым, тлеющим, высокочастотным и барьерным разрядами и возможные области их применения. Указано, что в качестве газа наполнения используют криптон, ксенон, аргон, водород, дейтерий, неон, гелий и их сочетания. Отмечено, что настоящим прорывом в области ВУФ техники явилось использование окон из фтористого магния и лития. После освоения техники крепления окон из этих материалов к стеклянным колбам стало возможным создание нового класса источников ВУФ излучения. Подчеркнуто, что структура лаборатории газоразрядных источников света предполагает совмещение проведения разработки новых типов УФ и ВУФ-ламп с их производством. Это позволяет осуществлять мелкосерийное производство, разрабатывать и изготавливать источники (лампы) в единичных экземплярах по индивидуальным техническим требованиям, что является важным обстоятельством при разработке новых приборов, использующих УФ и ВУФ источники излучения.

Ключевые слова: ультрафиолет (УФ), вакуумный ультрафиолет (ВУФ), газоразрядые лампы.

Коды OСIS: 220.0220, 230.0230, 350.0350

Поступила в редакцию 03.04.2012

В настоящее время наблюдается рост интереса к ультрафиолетовому (УФ) и вакуумному ультрафиолетовому (ВУФ) диапазонам спектра излучения. Это обусловлено появлением новых прикладных задач, связанных с этими диапазонами спектра оптического излучения. В Государственном оптическом институте (ГОИ) разработкой и производством источников для УФ и ВУФ-диапазонов занимается лаборатория, являющаяся одной из старейших в институте – в 2011 году ей исполнилось 80 лет. За эти годы лабораторией накоплен огромный практический опыт и она занимает прочные позиции по разработке и изготовлению ламп для ближней и дальней (вакуумной) УФ области.
Одной из первых задач, решенных в лаборатории газоразрядных источников излучения ГОИ, была разработка и создание образцов спектральных парометаллических ламп, предназначенных для воспроизведения эталонных спектральных линий для градуировки спектральных оптико-механических приборов и установок. Эти лампы использовали в интер-

ференционной аппаратуре в качестве монохроматических источников света. Примером может служить лампа СМР-1 ( = 546 нм), которая выпускается и в настоящее время.
Настоящим прорывом в вакуумной технике стало появление окон из фтористого магния. После изучения его термодинамических свойств и разработки методов припайки окон из этого материала к стеклянным колбам стало возможным создание нового класса разнообразных ламп для ВУФ-области спектра. В настоящее время разработаны и созданы лампы для ВУФ-области спектра с большим сроком службы, имеющие наполнение такими газами, как криптон, ксенон, аргон, водород, дейтерий, неон, гелий и их сочетания. Это позволяет получать источники линейчатого, сплошного и смешанного излучения. В современных газоразрядных лампах используют дуговой, тлеющий, барьерный и высокочастотный разряды. Особенностью ламп с дуговым разрядом является наличие подогреваемого оксидированного катода и низкое напряже-

108 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012

ние горения при относительно больших токах разряда.
Водородные, дейтериево-неоновые и ртутно-водородные лампы по конструкции относятся к капиллярным лампам, в которых разряд ограничен каналом капилляра, диаметр которого не более 2 мм. Плотность тока разряда в таком канале достигает 60 А/см2. Лампы этого типа являются точечными источниками излучения высокой яркости. Спектр их излучения от 113 нм и далее по видимому диапазону [1].
Для спектрофотометрических задач используется многолинейчатый спектр водорода от 113 до 165 нм и сплошной спектр в области 165–360 нм. В спектре излучения присутствует также атомарное излучение водорода: мощная линия серии Лаймана L 121,6 нм и линии серии Бальмера, используемые для градуировки спектральных приборов по длинам волн, а также для проведения метрологических исследований в ВУФ-области спектра.
В дейтериево-неоновых лампах спектр излучения подобен водородному, отличаясь тем, что в красной области присутствуют многочисленные неоновые линии большой яркости. Было установлено, что дейтериевые лампы по интенсивности излучения эффективнее водородных в области 170–360 нм примерно на 30%, но в более коротковолновой области молекулярно-полосатого спектра дейтерий утрачивает свое преимущество. Поэтому лампы, предназначенные для работы в ближней УФ области спектра, рационально наполнять дейтерием, а для вакуумного УФ излучения следует по-прежнему изготавливать водородные лампы.
В ртутно-водородных лампах кроме спектра водорода присутствуют линии ртути 185 и 253,7 нм. Перечисленные лампы выпускаются со следующими маркировками: водо-

родная ВМФ-25, дейтериево-неоновые – ДНМ15 и ДНМ-90, ртутно-водородная – ВМР-15 (последняя цифра обозначает потребляемую мощность в ваттах).
В отличие от водородных и дейтериевых ламп криптоновые и ксеноновые резонансные лампы представляют собой практически монохроматические источники излучения в ВУФобласти спектра. В пределах этой области лампы излучают резонансные линии атомов ксенона (147 и 129,6 нм) и криптона (123,6 и 116,6 нм), причем интенсивность длинноволновых линий на один, два порядка превосходит интенсивность коротковолновых линий [2]. Замечено, что при работе ксеноновых и криптоновых резонансных ламп при повышенных температурах более коротковолновая линия пропадает и источник излучения становится монохроматическим. Этот эффект может быть использован в фотоионизационных детекторах газовых хроматографов для анализа труднолетучих веществ, когда сам детектор должен работать при повышенных температурах (200– 300 С) [3]. Кроме того, эти лампы отличаются еще и тем, что при небольшой вводимой в плазму плотности мощности (1 Вт/см2) имеет место насыщение интенсивности резонансных линий, а в дальнейшем и их уменьшение. Поэтому в отличие от водородных и дейтериевых ламп конструкторские задачи направлены не на повышение яркости, а на увеличение общего потока излучения, что осуществляется подбором оптимального состава газового наполнения и увеличением объема излучающей плазмы за счет увеличения ее поперечного сечения.
Квантовая эффективность ламп этого типа составляет 1015–1016 квант/с. Эти лампы выпускаются с маркировкой КрР-2-1 и КсР-2-1 (табл. 1).

Таблица 1. Характеристики водородной и дейтериево-неоновой ламп и резонансных ламп с ксеноновым и криптоновым наполнением

Тип лампы

Размер зоны
свечения, мм

Потребляемая мощность, Вт

Ток разряда, А

Поток ВУФ излучения,
квант/с

Срок службы,
час

Габариты, диаметрдлина,
мм

Водородная ВМФ-25

1,5

25

0,3 21015 500 28130

Дейтериевонеоновая ДНМ-15

1,0

15

0,15

21015

500

2860

Ксеноновая КсР-2-1
Криптоновая КрР-2-1

1830

15

0,3 51015 500 3495

“Оптический журнал”, 79, 8, 2012

109

Кроме ламп с дуговым разрядом изготавливаются малогабаритные лампы с тлеющим разрядом. Это маломощные лампы, работающие при токе разряда от 0,3 до 3 мА и при падении напряжения на лампе не более 300 В. В лампах тлеющего разряда используется свечение плазмы в полом катоде.
В ГОИ производятся лампы тлеющего разряда с ксеноновым и криптоновым наполнением (КсРМ-2, КрРМ- 2), а также водородные (ЛГВ-1 и ЛГВМ-0,5). Их параметры представлены в табл. 2.
Особое место занимают высокочастотные (ВЧ) лампы с криптоновым, ксеноновым, аргоновым или ртутным наполнением. В зависимости от формы и расположения электродов ВЧ разряд может быть индуктивным или емкостным. Тип разряда существенно влияет на излучательные характеристики ламп. В случае наполнения ксеноном или криптоном высокочастотные лампы представляют собой колбу с припаянным окном из фтористого магния. При наполнении лампы аргоном окно лампы выполняется из фтористого лития, при этом окно крепится эпоксидной смолой, а в колбу устанавливается геттер для очистки газового состава лампы. Разработка и реализация малогабаритных ламп тлеющего и высокочастотного разрядов позволила создать новое поколение газовых хроматографов и портативных газоанализаторов, работающих на принципе фотоионизационного детектирования.
Кроме того, на базе лампы с тлеющим разрядом была изготовлена малогабаритная лампа с полым катодом, снабженная окномфильтром, подавляющим излучение в области 280–320 нм. Лампа применялась в ракетном флюоресцентном гигрометре, разработанным Центральной аэрологической обсерваторией (ЦАО) для изучения распределения водяного пара на высотах до 90 км. Флюоресцентный

гигрометр прошел успешные испытания в российско-шведском эксперименте. Лампа обладает высокой механической надежностью и отвечает требованиям практики аналитического приборостроения [4].
Широкое применение в настоящее время находят эксимерные лампы на основе барьерного разряда. Преимуществом ламп этого типа перед другими газоразрядными источниками является не только отсутствие внутренних металлических электродов и осуществление излучения через цилиндрическую или плоскую поверхности и их образующие, но и в возможности легко получать интенсивные континуумы инертных газов, так как в барьерном разряде гасящее действие примесей проявляется слабее, чем при других способах возбуждения инертных газов [5].
В этих лампах разряд в протяженной полости, образуемой стенками колбы, возбуждается либо между внешними электродами, приложенными снаружи к стенкам колбы, либо между проволочными электродами, покрытыми диэлектриком и введенными внутрь полости колбы. В этом случае полость колбы равномерно заполняется нитями разряда, направленными от одного электрода к другому и создающими равномерную освещенность от любой свободной от электродов поверхности колбы. Колбы барьерных ламп могут иметь различные формы в зависимости от назначения – излучение от барьерного разряда может выводиться как с торца, так и через боковые грани колбы. Барьерные лампы излучают преимущественно молекулярные континуумы инертных газов в ВУФ-области от 120 до 200 нм, а в их смесях с галогенами – длинноволновая граница смещается за 300 нм.
Основное применение барьерных ламп, как и дуговых водородных, дейтериевых и резонансных ламп – спектрофотометрия и проведение метрологических исследований в ВУФ

Таблица 2. Характеристики спектральных ламп тлеющего разряда

Тип лампы

Размер зоны Потребляемая
свечения, мощность, Вт мм

Ток разряда,


Поток ВУФ излучения,
квант/с

Ксеноновая КсРМ-2 Криптоновая КрРМ-2

2,5

1,0

0,3–3

51014

Водородная ЛГВ-1

2,0

1,0

3–5 1014

Водородная ЛГВМ-0,5

2,5

0,5

1–2 1014

Срок службы, ч

Габариты, диаметрдлина,
мм

1000
1000 500

1840
1850 1030

110 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012

области спектра. Помимо этого, с развитием в последнее время новых форм технологий, эти лампы находят широкое применение при

фототравлении и фотоочистке поверхностей, очистке и обеззараживании воды, фотостерилизации и т. п.

*****

ЛИТЕРАТУРА
1. Шишацкая Л.П. Источники вакуумного ультрафиолетового излучения непрерывного действия // ОМП. 1984. № 9. С. 54–59.
2. Яковлев С.А. Новые разработки ксеноновых и криптоновых резонансных ламп // ОМП. 1978. № 4. С. 52–54.
3. Яковлев С.А., Невяжская И.А. Использование ксеноновых и криптоновых резонансных ламп при повышенных температурах // ОМП. 1990. № 10. С. 64–66.
4. Шишацкая Л.П., Шилина Н.В., Хапланов М.Г., Гумбел Й. Водородная лампа для оптического гигрометра // Оптический журнал. 1996. № 8. С. 57–59.
5. Волкова Г.А., Кириллова Н.Н., Павловская Е.П., Яковлева А.В. ВУФ лампы на барьерном разряде в инертных газах // Журнал прикладн. спектр. 1984. Т. XLI. В. 4. С. 691–695.

“Оптический журнал”, 79, 8, 2012

111