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微空心阴极放电的机理及其在紫外光源中的应用






时间:2009-01-07 12:44来源: 作者: 点击:

核心提示: 1 引言 介质阻挡放电在平板紫外光源中获得了广泛的应用,它的准分子辐射电光转换效率为10%,研究发现微空心阴极放电在高气压下同样可以产生准分子辐射,当采用脉冲激励时可获得高达20%的电光转换效率,并且由于它可以实现在大气压下的稳定放电,对于放电空


1 引言
介质阻挡放电在平板紫外光源中获得了广泛的应用,它的准分子辐射电光转换效率为10%,研究发现微空心阴极放电在高气压下同样可以产生准分子辐射,当采用脉冲激励时可获得高达20%的电光转换效率,并且由于它可以实现在大气压下的稳定放电,对于放电空间的密封工艺的要求不高,有望利于微空心阴极放电构成新的紫外光源。与介质阻挡放电相比,微空心阴极放电具有如下几个诱人优势:(1)电极结构简单紧凑;(2)若采用脉冲激励方式,峰值电压只需要几百伏,而介质阻挡放电需要1kV以上,相应的半导体开关元件比介质阻挡放电激励要便宜;(3)采用脉冲激励方式可或得高的电光转换效率;(4)可采取串联方式提高出射辐射度。形成完善的加工工艺,提高器件使用寿命将是今后的主要目标。Jack Chen[1]等人采用镀膜,离子刻蚀,光刻等微加工技术在硅片上产生10x10微孔阵列,得到均匀稳定的放电,在加工工艺方面作出了尝试。他们得到的微孔能连续工作20小时以上。
2 空心阴极放电原理及一般特性
一个典型的空心阴极放电装置如图1-1所示。图中阴极为圆筒形。当阴极内径较大且气压较高时,阴极附近将出现阴极暗区和负辉区,而法拉第暗区和正柱区则处在中央。此时如果缩小阴极内径D的尺寸或减小气压,则法拉第暗区和正柱区消失,处在中央的是负辉区,即发生了空心阴极效应。负辉区的发光强度和电流密度都大大增加,高能电子的密度比正常辉光放电时的麦克斯韦分布要大得多。此时的放电称空心阴极放电。其光强分布和阴极位降区如图1-2所示。

图1-1 典型的空心阴极放电装置

(a) (b)
图1-2 阴极孔中的光强分布(a)和阴极位降区(b)
C—阴极;F—阴极位降区;N—负辉区;d—阴极位降区长度;n—负辉区长度
发生空心阴极放电的机理是电子摆动。从C1逸出的电子受到C1的电场加速,若能获得足够的能量入射到C2的阴极位降区,它将受到C2的电场排斥而返回C1。这样,电子将在C1C2间来回摆动,大大增加了中性原子被激发和电离的机会。如图1-3所示。

图1-3 电子在阴极C1C2间摆动的位能分布 图1-4 空心阴极效与pD值的关系发生空心阴极效应时的电流密度J,与阴极位降相同的普通阴极的正常辉光放电的电流密度J0之比值J/J0,称为空心阴极效应的电流密度放大系数,它表示空心阴极放电效应发生的程度。甘勒斯朱芝是最早研究空心阴极效应的人,他通过实验测得空心阴极效应发生的程度与气压p和阴极间距D的乘积有关,他得到的测量曲线如图1-4[2]。图中最下面的曲线是利特尔等人[2]的实验结果。由图可见,比值J/J0随pD值(气压和阴极孔径的乘积)增加而下降,最后趋于1。可见,在pD值增加到一定值后,空心阴极效应逐渐消失。
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