管壁厚度和方波电源频率对氯化氪准分子灯效率的影响[2]

　　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。

      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。

      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。

　　(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。

　　3. 4 输入功率对效率的影响

　　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，

　　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，70kHz 下工作更好，因为这时效率高。

　　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。　　

　　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%。