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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиМихайлов Дмитрий ВладимировичТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В СМЕСИ ПАРОВ ВОДЫ С ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИКАК ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ01.04.08 – физика плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорТимофеев Николай АлександровичНаучный консультант:доктор физико-математических наук, профессорСолихов Давлат КуватовичСанкт - Петербург20182ОГЛАВЛЕНИЕВведение ……………………………………………………………………………..4Глава 1Плазма тлеющих разрядов с легкоионизуемыми добавками как источникоптического излучения. Обзор литературы.

…………………………………… 141.1.Источники оптического излучения на основе тлеющего разрядас парами металлов и молекулярными добавками ………………………... 141.2.Результаты исследования разряда в смеси инертных газов с парамиводы...................................................................................................................191.3.Моделирование разряда в смеси аргона с парами воды …………………..351.4.Возможности повышения световой отдачи источников света и возможностьсоздания источника когерентного излучения на основе разряда в смесиинертных газов с парами воды ………………………………………………411.5.Выводы по гл. 1 ……………………………………………………………….44Глава 2Использование смесей инертных газов в качестве буферных с целью увеличенияэффективности генерации УФ излучения гидроксила ……………………………452.1.

Модификация модели для случая плазмы разряда в смеси паров воды снесколькими инертными газами…………………………………………………….452.2. Обсуждение полученных результатов: соотношение концентраций аргона ивторого добавленного инертного газа……………………………………………....512.3. Выводы по гл. 2 …………………………………………………………………54Глава 3Исследование возможности повышения эффективности УФ излучения гидроксилаза счет каталитического разрушения молекул воды (использование TiO2) ……..553.1. Теоретическое обоснование возможности использования катализатора …...553.2. Описание экспериментальной установки ……………………………………..593.3. Результаты экспериментальных исследований ……………………………….613.4.

Выводы по гл. 3 …………………………………………………………………683Глава 4Импульсно-периодический разряд в смеси паров воды и инертного газа ………704.1. О возможности роста световой отдачи в разряде в молекулярном газе …….714.2. Экспериментальная установка для исследования импульсно-периодическогоразряда ………………………………………………………………………………..734.3.

Результаты зондовых измерений, спектральные и светотехническиехарактеристики ……………………………………………………………………....774.4. Разряд в смеси паров воды с инертными газами как источник когерентногоизлучения …………………………………………………………………………….884.5. Выводы по гл. 4 …………………………………………………………………90Заключение…………………………………………………………………………...91Список литературы ………………………………………………………………….944ВВЕДЕНИЕАктуальность темы и современное состояние исследованийРазрядные источники оптического излучения широко используются для целейбытового и промышленного освещения, в медицине, биологии, сельском хозяйстве,при реализации различных технологических процессов, например для активациихимических реакций, в решении экологических проблем (обеззараживание воды ивоздуха), в военной и специальной технике, в научных исследованиях (лазернаятехника, спектральная и оптическая аппаратура, специальные источникиизлучения), во многих других областях человеческой деятельности.

Особое местосреди таких источников занимают разрядные источники оптического излучения наоснове тлеющего разряда в смеси паров ртути с инертными газами. Основанием ихширокогопримененияявляетсячрезвычайновысокаяэффективностьпреобразования электрической энергии, рассеиваемой в плазме разряда,вультрафиолетовое излучение атомов ртути –двух ее резонансных линий 185 нм и254 нм, которые используются для фотолюминесценции, фотохимических,биологических,бактерицидныхвоздействий.Приоптимальныхусловияхэффективность такого преобразования достигает (65-70)% [1-3]. В последнее времязадача создания новых источников излучения на основе разряда с парами ртутиполучила новый импульс, связанный именно с решение экологических проблем –обеззараживание воды и воздуха с помощью мощного УФ-излучения ртути,генерируемого ртутными лампами, работающими при пониженном давленииинертного (буферного) газа и высоких плотностях разрядного тока [4,5].При этомважную роль играет более коротковолновое излучение ртути 185 нм.Вместе с большими достоинствами ртутные источники оптического излученияобладают существенным недостатком – наличием ртути, которая в случаеразрушения источника излучения попадает в окружающую среду (один граммртути, попавший в окружающую среду, способен привести к загрязнению(превысить уровни предельно допустимых концентраций) более 3,3 млн.

м3воздуха или 200 тыс. м3 воды). Международная Минаматская конвенция по ртути5предусматривает запрет использования ртутьсодержащих приборов (медицинскихтермометров и приборов для измерения давления, барометров, люминесцентныхламп, аккумуляторов, ртутьсодержащих амальгам в стоматологии, а такженекоторых видов мыла и косметики) после 2020 года. Поэтому задача созданияновых экологически безопасных и эффективных источников оптическогоизлучения, не содержащих ртути, является чрезвычайно актуальной [6]. Следуетзаметить, что существенный прогресс в развитии полупроводниковых источниковизлучения (LED) не может (и вряд ли сможет) заменить разрядные источникиизлучения в силу целого ряда свойств, отсутствующих у LED, в частности,возможности излучать в далекой УФ и ВУФ областях спектра.К настоящему времени тлеющие разряды на основе смеси инертных газов ипаров металлов (Hg, Cd, Zn, Ba, Mo, K, Na, Cs, Rb, Tl и др.) исследованы достаточнохорошо [1, 2], поэтому появление нового источника оптического излучения на базетаких разрядов маловероятно, тем более чтов своем большинстве эти металлытакже являются экологически небезопасными.

Альтернативой существующимисточникам излучения могут быть разряды низкого давления в инертных газах смолекулярными добавками [6]. С одной стороны присутствие в плазме молекул,как правило, порождает целую цепочку плазмохимических реакций, которыекоренным образом изменяют свойства плазмы, что порождает научный интересисследователей, с другой стороны новые свойства плазмы могут дать начало новымпрактическим применениям. Примерами таких разрядов могут служить разряды смолекулярным азотом и кислородом, углекислым газом, окисями азота и углеродаи др. Разряд с парами воды с полным основанием может быть отнесен к разрядамданного класса, в котором молекулы воды, порождая в условиях плазмы новыеатомарные и молекулярным частицы и, как следствие, протекание новых плазмохимических реакций, коренным образом изменяют свойства разряда.В работах [7-9] были проведены исследования разряда в смеси инертных газовс парами воды в кварцевых разрядных трубках при добавлении молекул воды кразряду в инертном газе.

Было обнаружено, что при определенных условияхинтенсивность излучения полосы 306.4 нм молекулы ОН (молекулы гидроксила6возникали в разряде в результате разрушения молекул воды) существеннопревышает излучение всех других линий и полос присутствующих в плазме частиц.Дальнейшие исследования разряда с парами воды [10, 11] показали, что существуетвозможность достичь достаточно высоких параметров разряда как источникаоптическогоизлученияиобеспечитьприемлемыеэлектрическиеисветотехнические характеристики. В частности, были получены приемлемыезначенияприэлектродныхположительномстолбепотерьразряда,мощностииразработаныпадениянапряженияметодывсохраненияработоспособности стандартных (Ba-Sr-Ca)-катодов в разряде с парами воды,оценен срок службы, достигнуто значение световой отдачи плазмы (40-45) Лм/Вт,что составляет приметно (40-45)% световой отдачи ртутных люминесцентныхламп(светоотдача ртутных люминесцентных ламп составляет ~100 Лм/Вт [1-3]).Эти данные позволили рассматривать разряд в смеси паров воды с инертнымигазами как основу для создания нового экологически чистого и эффективногоисточника оптического излучения (источника света).Цель исследованийРезультаты работ [7-11] дали возможность наметить пути улучшенияизлучательных характеристик разряда в смеси паров воды с инертными газами, вчастности, эффективности генерации УФ излучения молекул гидроксила.

Эти путисвязаны как с соответствующим выбором газовых смесей и разрядных условий, таки с выбором режимов питания разряда. Целью диссертации является исследованиеразряда в смеси паров воды с инертными газами и изучение возможностиулучшения характеристик данного разряда как источника оптического излучения,в частности, повышения эффективности генерации ультрафиолетового излучениямолекул гидроксила 306.4 нм, при различных составах газовых смесей, способовполучения молекул гидроксила и режимах создания разряда (постоянный ток,импульсно-периодический разряд).7Задачи исследованияДля достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:1) провести анализ возможности улучшения характеристик разряда с парамиводы;2) исследовать плазму разряда в смеси паров воды с несколькими инертнымигазами;3) изучить возможности увеличения концентрации молекул гидроксила висследуемом разряде за счет каталитического разрушения молекул водыи увеличения, таким образом, УФ излучения молекул ОН;4) исследовать импульсно-периодического режима питания разряда с цельювоздействия на процессы возбуждения молекул гидроксила и увеличениядоли энергии, идущей на возбуждение молекул гидроксила;5) изучить возможности создания источника когерентного излучения наоснове разряда в смеси паров воды и инертного газа;Основные положения, выносимые на защиту:1) анализ возможности увеличения эффективности генерации УФ излучениямолекул гидроксила плазмой разряда в смеси паров воды с инертнымигазами;2) модель плазмы разряда в смеси паров воды с несколькими инертнымигазами с целью увеличения эффективности генерации ультрафиолетовогоизлучения молекул гидроксила;3) результатырасчетаэффективностигенерацииизлучениямолекулгидроксила 306.4 нм при добавлении к разряду в смеси аргона с парамиводы более легких по отношению к аргону инертных газов (Ne, He);4) анализиэкспериментальныерезультатыизучениявлияниякаталитического разрушения молекул воды на концентрацию молекулгидроксила и характеристики плазмы разряда в смеси аргона с парамиводы, в частности, на возможность увеличения эффективности генерацииУФ излучения молекул ОН;85) результаты экспериментального исследования импульсно-периодическогоразряда в смеси (Ar + H2O), показывающие сильное влияние отрицательныхионов на характеристики плазмы, приводящее к отрицательномурезультату относительно увеличения эффективности генерации УФизлучения гидроксила;6) анализ возможности получения когерентного излучения с использованиемплазмы тлеющего разряда в смеси паров воды с инертными газами.Научная новизна работы состоит в том, что впервые:- проведен анализ возможности увеличения эффективности генерации УФизлучения молекул гидроксила плазмой разряда в смеси паров воды с инертнымигазами;- исследована плазма разряда в смеси паров воды с несколькими инертнымигазами с целью увеличения эффективности генерации ультрафиолетовогоизлучения молекул гидроксила; показано, что использование более легких поотношению к аргону инертных газов (Ne, He) может дать возможность увеличенияконцентрациимолекулгидроксилависследуемойплазмеиувеличитьэффективность генерации УФ-излучения;- исследовано воздействие каталитического разрушения молекул воды (вкачестве катализатора использовалась двуокись титана TiO2) на свойства плазмыразряда в смеси паров воды с инертными газами; экспериментально и на основемоделирования показано заметное влияние воздействия катализатора на свойстваплазмы, которое может привести к росту интенсивности УФ-излучения плазмы;- изучено влияние импульсно-периодического способа создания плазмы;выявлено сильное влияние формирования отрицательных ионов на характеристикиплазмы; показано, что в исследованных разрядных условиях эффективностьгенерации УФ-излучения не превосходит значения, полученные в режимепостоянного тока;9- исследован вопрос о возможности получения когерентного излучения сиспользованием плазмы тлеющего разряда в смеси паров воды с инертнымигазами;Практическая значимость работы обусловлена возможностью использованияполученныхрезультатовдлясозданияновыхэкологическибезопасныхэффективных источников оптического излучения в ультрафиолетовой и видимойобластях спектра, источников когерентного излучения, а также тем, что на основепредложенной модели разряда возможно проведение оптимизации параметровплазмы и поиск дальнейших путей совершенствования данного разряда какисточника оптического излучения.Достоверность результатов определяется проведением измерений насовременном поверенном оборудовании с использованием апробированныхметодик, тщательной калибровкой аппаратуры, хорошей воспроизводимостьюрезультатов измерений и их разумным согласием с данными моделирования, атакже совпадением результатов данной работы с полученными ранее, где такоесравнение было возможно.Личныйвкладавтораявляетсяопределяющимприпроведенииэкспериментов, выполнении расчетов, интерпретации полученных данных.Диссертация написана автором лично, положения, выносимые на защиту,сформулированы автором самостоятельно.