Автореферат (Тлеющий разряд в смеси паров воды с инертными газами как источник оптического излучения)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиМихайлов Дмитрий ВладимировичТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В СМЕСИ ПАРОВ ВОДЫ С ИНЕРТНЫМИГАЗАМИ КАК ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯСпециальность 01.04.08 – Физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«СанктПетербургский государственный университет»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцент поспециальностиТимофеев Николай Александрович.Научный консультант:доктор физико-математических наук, доцентСолихов Давлат Куватович.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорСанкт-Петербургского политехническогоуниверситета Петра Великого (СПбПУ)Головицкий Александр Петрович.кандидат физико-математических наук,старшийнаучныйсотрудникФизикотехнического института им.

А. Ф. Иоффе РАН,г. Санкт-ПетербургЛапушкина Татьяна Алексеевна.Ведущая организация:Институт химической физики им. Н. Н. СеменоваРАН, г. МоскваЗащита диссертации состоится 28 июня 2018 г. в ______ часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатскихдиссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете поадресу: 198504, Санкт-Петербург, Ульяновская ул., д. 1, Малый конференц-залфизического факультета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. Горького СПбГУ поадресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д.

7/9.Автореферат разослан « ___ »Учёный секретарьдиссертационного советаД 212.232.45, доктор физ.-мат. наук.2018 г.В. С. СухомлиновОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.Разрядные источники оптического излучения широко используются дляцелей бытового и промышленного освещения, в медицине, биологии, сельскомхозяйстве, при реализации различных технологических процессов, в военной испециальной технике, в научных исследованиях, во многих других областяхчеловеческой деятельности.

Особое место среди таких источников занимаютразрядные источники оптического излучения на основе тлеющего разряда всмеси паров ртути с инертными газами. Основанием их широкого примененияявляется чрезвычайно высокая эффективность преобразования электрическойэнергии, рассеиваемой в плазме разряда, в ультрафиолетовое излучение атомовртути – двух ее резонансных линий 185 нм и 254 нм. При оптимальныхусловиях эффективность такого преобразования достигает (65-70)% [1, 2].Вместе с большими достоинствами ртутные источники оптическогоизлучения обладают существенным недостатком – наличием ртути, которая вслучае разрушения источника излучения попадает в окружающую среду.Международная Минаматская конвенция по ртути предусматривает запретиспользования ртутьсодержащих приборов (медицинских термометров иприборов для измерения давления, барометров, люминесцентных ламп,аккумуляторов, ртутьсодержащих амальгам в стоматологии ) после 2020 года.Поэтому задача создания новых экологически безопасных и эффективныхисточников оптического излучения, не содержащих ртути, являетсячрезвычайно актуальной.К настоящему времени тлеющие разряды на основе смеси инертных газови паров металлов (Hg, Cd, Zn, Ba, Mo, K, Na, Cs, Rb, Tl и др.) исследованыдостаточно хорошо [1, 2], поэтому появление нового источника оптическогоизлучения на базе таких разрядов маловероятно, тем более что в своембольшинстве эти металлы также являются экологически небезопасными.Альтернативой существующим источникам излучения могут быть разрядынизкого давления в инертных газах с молекулярными добавками.

Примерамитаких разрядов могут служить разряды с молекулярным азотом и кислородом,углекислым газом, окисями азота и углерода и др. Разряд с парами воды сполным основанием может быть отнесен к разрядам данного класса, в котороммолекулы воды, порождая в условиях плазмы новые атомарные имолекулярным частицы и, как следствие, протекание новых плазмо-химическихреакций, коренным образом изменяют свойства разряда.В работах [3, 4] были проведены исследования разряда в смеси инертныхгазов с парами воды в кварцевых разрядных трубках. Было обнаружено, чтопри определенных условиях интенсивность излучения полосы 306.4 нммолекулы ОН (молекулы гидроксила возникали в разряде в результатеразрушения молекул воды) существенно превышает излучение всех другихлиний и полос присутствующих в плазме частиц.

Дальнейшие исследования [5,6] показали, что существует возможность достичь достаточно высокихпараметров разряда как источника оптического излучения и обеспечить3приемлемые электрические и светотехнические характеристики. В частности,было достигнуто значение световой отдачи плазмы (40-45) Лм/Вт, чтосоставляет приметно 50% световой отдачи ртутных люминесцентных ламп.

Этиданные позволили рассматривать разряд в смеси паров воды с инертнымигазами как основу для создания нового экологически чистого и эффективногоисточника оптического излучения (источника света).Целью настоящей работы является исследование разряда в смеси паровводы с инертными газами и изучение возможности улучшения характеристикданного разряда как источника оптического излучения, в частности, повышенияэффективности генерации ультрафиолетового излучения молекул гидроксила306.4 нм, при различных составах газовых смесей, способов получения молекулгидроксила и режимах создания разряда (постоянный ток, импульснопериодический разряд).Научная новизна работы состоит в том, что впервые- проведен анализ возможности увеличения эффективности генерации УФизлучения молекул гидроксила плазмой разряда в смеси паров воды синертными газами;- исследована плазма разряда в смеси паров воды с несколькимиинертными газами с целью увеличения эффективности генерацииультрафиолетовогоизлучениямолекулгидроксила;показано, чтоиспользование более легких по отношению к аргону инертных газов (Ne, He)может дать возможность увеличения концентрации молекул гидроксила висследуемой плазме и повысить эффективность генерации УФ-излучения;- исследовано воздействие каталитического разрушения молекул воды (вкачестве катализатора использовалась двуокись титана TiO2) на свойстваплазмы разряда в смеси паров воды с инертными газами; экспериментально ина основе моделирования показано заметное влияние воздействия катализаторана свойства плазмы, которое может привести к росту интенсивности УФизлучения плазмы;- изучено влияние импульсно-периодического режима питания нахарактеристики разряда в смеси паров воды с инертными газами; выявленосильное влияние формирования отрицательных ионов на характеристикиплазмы; показано, что в исследованных разрядных условиях эффективностьгенерации УФ-излучения не превосходит значений, полученных в режимепостоянного тока;- исследован вопрос о возможности получения когерентного излучения сиспользованием плазмы тлеющего разряда в смеси паров воды с инертнымигазами.Практическая и научная значимость работы обусловленавозможностью использования полученных результатов для создания новыхэкологически безопасных эффективных источников оптического излучения вультрафиолетовой и видимой областях спектра, источников когерентногоизлучения, а также тем, что на основе предложенной модели разряда возможно4проведение оптимизации параметров плазмы и поиск дальнейших путейсовершенствования данного разряда как источника оптического излучения.Достоверность полученных результатов определяется проведениемизмерений на современном поверенном оборудовании с использованиемапробированных методик, тщательной калибровкой аппаратуры, хорошейвоспроизводимостью результатов измерений и их разумным согласием сданными моделирования, а также совпадением результатов данной работы сполученными ранее в случаях, когда такое сравнение было возможно.Положения, выносимые на защиту:1) анализ возможности увеличения эффективности генерации УФизлучения молекул гидроксила плазмой разряда в смеси паров воды синертными газами;2) модель плазмы разряда в смеси паров воды с несколькими инертнымигазами, разработанная с целью анализа возможности увеличенияэффективности генерации ультрафиолетового излучения молекулгидроксила;3) результаты расчета эффективности генерации излучения молекулгидроксила 306.4 нм при добавлении к разряду в смеси аргона с парамиводы более легких по отношению к аргону инертных газов (Ne, He);4) анализ и экспериментальные результаты изучения влияниякаталитического разрушения молекул воды на рост концентрациимолекул гидроксила и характеристики плазмы разряда в смеси аргона спарами воды, в частности, на возможность увеличения эффективностигенерации УФ излучения молекул ОН;5) результатыэкспериментальногоисследованияимпульснопериодического разряда в смеси (Ar + H2O), показывающие сильноевлияние отрицательных ионов на характеристики плазмы, приводящее котрицательному результату относительно увеличения эффективностигенерации УФ излучения гидроксила;6) анализвозможностиполучениякогерентногоизлучениясиспользованием плазмы тлеющего разряда в смеси паров воды синертными газами.Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывалисьна 14-ом (LS-14, Como, Italy, June 23-28, 2014) и 15-ом (LS-15, Kyoto, Japan,May 22-27, 2016) международных симпозиумах “International Symposium on theScience & Technology of Lighting”, на XIII-ой Всероссийской конференция«Физическая электроника (ФЭ-2014)» (Махачкала, 18-20 октября, 2014),конференции с международным участием «Петергофские чтения по лазернойфизике» (Санкт-Петербург, СПбГУ, 15-17 апреля 2014 г.), на Международнойконференции «Актуальные проблемы современной физики» (Таджикистан,Душанбе, 18 апреля, 2018).Публикации. По результатам работы опубликовано 3 печатных работы вжурналах, входящих в список ВАК (одна работа –Web of Science, две работы –Scopus).5Личный вклад автора. Диссертация написана автором лично,положения, выносимые на защиту, сформулированы автором самостоятельно.Экспериментальные результаты получены и проанализированы автором такжесамостоятельно.