The Characteristics of Closed-Loop Inductively Coupled Low Mercury Pressure Discharge

  • Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]
  • Римма [Rimma] Анваровна [A.] Иликеева [Ilikeeva]
  • Светлана [Svetlana] Александровна [A.] Шилова [Shilova]
  • Илья [Ilya] Анатольевич [A.] Ошурков [Oshurkov]
Keywords: inductively-coupled discharge, low mercury pressure plasma, induction coil, transformer model

Abstract

The characteristics of inductively coupled ferrite-free low mercury pressure discharges generated in closed-loop 815-mm-long quartz tubes 16.6 mm in diameter are studied. Discharges were excited at a frequency of 13.56 MHz with plasma power ranging from 10–270 W in a mixture of mercury vapor (~0.01 Torr) and argon (0.5, 1.0 and 2.0 Torr) by means of an induction coil placed over the discharge tube wall external perimeter. With a growth of plasma power, the lower the argon pressure, the faster the growth rates of the RF voltage across the induction coil and the current through it. The plasma impedance as a function of plasma power calculated within the framework of the inductively-coupled discharge transformer model has a minimum, which shifts toward higher plasma power values with increasing the argon pressure. The lower the argon pressure the higher the RF electric field averaged over the plasma cross section, and the lower the plasma power at which the dependence of discharge current on plasma power reaches its maximum.

Information about authors

Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]

Dr.Sci. (Techn.), Professor of Lighting Engineering Dept., NRU MPEI, e-mail: popovoleg445@yahoo.com

Римма [Rimma] Анваровна [A.] Иликеева [Ilikeeva]

Assistant of Lighting Engineering Dept., NRU MPEI

Светлана [Svetlana] Александровна [A.] Шилова [Shilova]

Student of Lighting Engineering Dept., NRU MPEI

Илья [Ilya] Анатольевич [A.] Ошурков [Oshurkov]

Assistant of Lighting Engineering Dept., NRU MPEI

References

1. Исупов М.В., Кротов С.В., Литвинцев А.Ю., Уланов И.М. Индукционная ультрафиолетовая лампа // Светотехника. 2007. № 5. С. 37—40.
2. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Low-pressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater // J. Water and Environment Technol. 2005. V. 3. No. 1. Pp. 71—76.
3. Левченко В.А., Попов О.А., Свитнев С.А., Старшинов П.В. Электрические и излучательные характеристики лампы трансформаторного типа с разрядной трубкой диаметром 16,6 мм // Светотехника. 2016. № 1. С. 41—44.
4. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А., Старшинов П.В. Характеристики бесферритного индукционного разряда низкого давления. Ч. 2. Излучательные характеристики плазмы // Успехи прикладной физики. 2016. № 4. С. 372—384.
5. Старшинов П.В. и др. Эффективный источник УФ излучения на основе бесферритного индуктивного ртутного разряда в замкнутой трубке малого диаметра // Светотехника. 2020. № 1. С. 56—59.
6. Левченко В.А., Василяк Л.М., Костюченко С.В., Свитнев С.А., Шаранов Е.П. Вакуумное ультрафиолетовое излучение ртутного разряда при давлении инертного газа менее 1 торр // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4. № 3. С. 256—264.
7. Вальшин А.М., Першин С.М., Михеев Г.М. Эффективный ввод энергии в плазму разряда люминесцентной лампы с повышением светоотдачи при резонансной индуктивной накачке // Инженерная физика. 2017. № 2. С. 37—41.
8. Ультрафиолетовые технологии в современном мире / под ред. Кармазинова Ф.В., Костюченко С.В., Кудрявцева Н.Н., Храменкова С.В. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2012.
9. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160—1000 kHz // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. V. 11. Pp. 218—227.
10. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V. 1. No. 3. Pp. 179—186.
11. Годяк В.А., Попов О.А., Ганна А.Х. Влияние слоев пространственного заряда у ВЧ-электродов на электродинамические характеристики ВЧ-разряда // Радиотехника и электроника. 1976. Т. 21. C. 2639—2641.
12. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд. М.: Наука, 1995.
13. Попов О.А., Старшинов П.В., Иликеева Р.А., Буреева Д.А., Ирхин И.В., Левченко В.А. Характеристики индуктора и плазмы бесферритных индукционных амальгамных ультрафиолетовых ламп с замкнутыми трубками малого диаметра // Вестник МЭИ. 2020. № 5. С. 98—111.
14. Gudmundsson J.T., Lieberman M.A. Magnetic Induction and Plasma Impedance in a Cylindrical Inductive Discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 1997. V. 6. No. 4. Pp. 540—550.
15. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991.
16. Popov O.A., Maya J. Characteristics of Electrodeless Ferrite-free Fluorescent Lamp Operated at Frequencies of 1—15 MHz // Plasma Sources Sci. Technol. 2000. V. 9. No. 2. Pp. 227—235.
17. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
18. Kolobov B.I., Godyak V.A. Electron Kinetics in Low Temperature Plasmas // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. P. 060601.
19. Ding Z.F., Sun B., Huo W.G. Characteristics of Anomalous Skin Effect and Evolution of Power Absorption Regions in a Cylindrical Radio Frequency Inductively Coupled Plasma // Phys. Plasmas. 2015. V. 22. P. 063504.
20. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Power Dissipation in Inductively-coupled Discharges // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. No. 7. Pp. 3580—3589.
21. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wook Chung. Experimental Observation of the Skin Effect on Plasma Uniformity in Inductively Coupled Plasmas with a Radio Frequency Bias // Plasma Sources Sci. Technol. 2012. V. 21. No. 3. P. 035003.
22. Александров А.Ф., Вавилин К.В., Кралькина Е.А., Неклюдова П.А., Павлов В.Б. Исследование параметров плазмы индуктивного ВЧ-источника плазмы диаметром 46 см. Ч. I. Параметры плазмы в области скин-слоя // Прикладная физика. 2013. № 5. C. 34—37.
23. Kralkina E.A. e. a. RF Power Absorption by Plasma of a Low-pressure Inductive Discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 015016.
24. Trieschmann J., Mussenbrock T. Kinetic Analysis of Negative Power Deposition in Inductive Low-pressure Plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. P. 024004.
25. Неклюдова П.А., Кралькина Е.А., Вавилин К.В., Задириев И.И., Никонов А.М. Особенности гибридного высокочастотного разряда низкого давления // Прикладная физика и математика. 2017. № 5. С. 25—33.
26. Иликеева Р.А., Шилова С.А., Попов О.А., Левченко В.А. Индукционная бесферритная ртутная УФ-лампа низкого давления с замкнутой разрядной трубкой, работающая на частоте 13,56 МГц // Светотехника. 2022. № 1. С. 58—62.
---
Для цитирования: Попов О.А., Иликеева Р.А., Шилова С.А., Ошурков И.А. Характеристики индукционного ртутного разряда низкого давления в замкнутой трубке // Вестник МЭИ. 2022. № 2. С. 86—94. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-2-86-94.
#
1. Isupov M.V., Krotov S.V., Litvintsev A.Yu., Ulanov I.M. Induktsionnaya Ul'trafioletovaya Lampa. Svetotekhnika. 2007;5:37—40. (in Russian).
2. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Low-pressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater. J. Water and Environment Technol. 2005;3;1:71—76.
3. Levchenko V.A., Popov O.A., Svitnev S.A., Starshinov P.V. Elektricheskie i Izluchatel'nye Kharakteristiki Lampy Transformatornogo Tipa s Razryadnoy Trubkoy Diametrom 16,6 mm. Svetotekhnika. 2016;1:41—44. (in Russian).
4. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A., Starshinov P.V. Kharakteristiki Besferritnogo Induktsionnogo Razryada Nizkogo Davleniya. Ch. 2. Izluchatel'nye Kharakteristiki Plazmy. Uspekhi Prikladnoy Fiziki. 2016;4:372—384. (in Russian).
5. Starshinov P.V. i dr. Effektivnyy Istochnik UF Izlucheniya na Osnove Besferritnogo Induktivnogo Rtutnogo Razryada v Zamknutoy Trubke Malogo Diametra. Svetotekhnika. 2020;1:56—59. (in Russian).
6. Levchenko V.A., Vasilyak L.M., Kostyuchenko S.V., Svitnev S.A., Sharanov E.P. Vakuumnoe Ul'trafioletovoe Izluchenie Rtutnogo Razryada pri Davlenii Inertnogo Gaza Menee 1 Torr. Uspekhi Prikladnoy Fiziki. 2016;4;3:256—264. (in Russian).
7. Val'shin A.M., Pershin S.M., Mikheev G.M. Effektivnyy Vvod Energii v Plazmu Razryada Lyuminestsentnoy Lampy s Povysheniem Svetootdachi pri Rezonansnoy Induktivnoy Nakachke. Inzhenernaya Fizika. 2017;2:37—41. (in Russian).
8. Ul'trafioletovye Tekhnologii v Sovremennom Mire. Pod Red. Karmazinova F.V., Kostyuchenko S.V., Kudryavtseva N.N., Khramenkova S.V. Dolgoprudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2012. (in Russian).
9. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160—1000 kHz. Plasma Sources Sci. Technol. 2002;11:218—227.
10. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. A Simple Analyses of an Inductive RF Discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 1992;1;3:179—186.
11. Godyak V.A., Popov O.A., Ganna A.Kh. Vliyanie Sloev Prostranstvennogo Zaryada u VCH-elektrodov na Elektrodinamicheskie Kharakteristiki VCH-razryada. Radiotekhnika i Elektronika. 1976;21:2639—2641. (in Russian).
12. Rayzer Yu.P., Shneyder M.N., Yatsenko N.A. Vysokochastotnyy Emkostnoy Razryad. M.: Nauka, 1995. (in Russian).
13. Popov O.A., Starshinov P.V., Ilikeeva R.A., Bureeva D.A., Irkhin I.V., Levchenko V.A. Kharakteristiki Induktora i Plazmy Besferritnykh Induktsionnykh Amal'gamnykh Ul'trafioletovykh Lamp s Zamknutymi Trubkami Malogo Diametra. Vestnik MEI. 2020;5:98—111. (in Russian).
14. Gudmundsson J.T., Lieberman M.A. Magnetic Induction and Plasma Impedance in a Cylindrical Inductive Discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 1997;6;4:540—550.
15. Rokhlin G.N. Razryadnye Istochniki Sveta. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
16. Popov O.A., Maya J. Characteristics of Electrodeless Ferrite-free Fluorescent Lamp Operated at Frequencies of 1—15 MHz. Plasma Sources Sci. Technol. 2000;9;2:227—235.
17. Rayzer Yu.P. Fizika Gazovogo Razryada. M.: Nauka, 1987. (in Russian).
18. Kolobov B.I., Godyak V.A. Electron Kinetics in Low Temperature Plasmas. Phys. Plasmas. 2019;26:060601.
19. Ding Z.F., Sun B., Huo W.G. Characteristics of Anomalous Skin Effect and Evolution of Power Absorption Regions in a Cylindrical Radio Frequency Inductively Coupled Plasma. Phys. Plasmas. 2015;22:063504.
20. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Power Dissipation in Inductively-coupled Discharges. J. Appl. Phys. 2001;89;7:3580—3589.
21. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wook Chung. Experimental Observation of the Skin Effect on Plasma Uniformity in Inductively Coupled Plasmas with a Radio Frequency Bias. Plasma Sources Sci. Technol. 2012;21;3:035003.
22. Aleksandrov A.F., Vavilin K.V., Kral'kina E.A., Neklyudova P.A., Pavlov V.B. Issledovanie Parametrov Plazmy Induktivnogo VCH-istochnika Plazmy Diametrom 46 sm. Ch. I. Parametry Plazmy v Oblasti Skin-sloya. Prikladnaya Fizika. 2013;5:34—37. (in Russian).
23. Kralkina E.A. e. a. RF Power Absorption by Plasma of a Low-pressure Inductive Discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 2016;25:015016.
24. Trieschmann J., Mussenbrock T. Kinetic Analysis of Negative Power Deposition in Inductive Low-pressure Plasmas. Plasma Sources Sci. Technol. 2017;26:024004.
25. Neklyudova P.A., Kral'kina E.A., Vavilin K.V., Zadiriev I.I., Nikonov A.M. Osobennosti Gibridnogo Vysokochastotnogo Razryada Nizkogo Davleniya. Prikladnaya Fizika i Matematika. 2017;5:25—33. (in Russian).
26. Ilikeeva R.A., Shilova S.A., Popov O.A., Lev-chenko V.A. Induktsionnaya Besferritnaya Rtutnaya UF-lampa Nizkogo Davleniya s Zamknutoy Razryadnoy Trubkoy, Rabotayushchaya na Сhastote 13,56 MGts. Svetotekhnika. 2022;1:58—62. (in Russian).
---
For citation: Popov O.A., Ilikeeva R.A., Shilova S.A., Oshurkov I.A. The Characteristics of Closed-Loop Inductively Coupled Low Mercury Pressure Discharge. Bulletin of MPEI. 2022;2:86—94. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-2-86-94.
Published
2021-09-06
Section
Lighting Engineering (05.09.07)