Автореферат (1150865), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Написание статей и тезисов докладов на конференцияхосуществлялось совместно с соавторами при определяющем вкладе авторадиссертации.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4глав и заключения. Работа изложена на 100 страницах текста, содержит 26рисунков, список литературы включает 79 наименований.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении обоснована актуальность выбранной темы, формулируетсяцель исследований, отображается научная новизна и практическая значимостьработы, приводятся положения, выносимые на защиту.В первой главе приведен литературный обзор, посвящённыйисследованию тлеющих разрядов с легкоионизуемыми добавками. Такиеразряды широко используется в качестве источников оптического излучения(источников света).

Описаны современные источники оптического излучениянизкого давления, созданные на основе разрядов в смесях паров металлов синертными газами, с эксимерными молекулами, в чистых инертных газах и ихсмесях, разрядов с молекулярными добавками, в частности, с молекулами воды.Показано, что разряд в смеси паров воды с инертными газами может бытьэффективным источником ультрафиолетового излучения 306.4 нм молекулгидроксила, которые возникают в плазме при тушении возбужденных атомовинертных газов молекулами воды.

Показано также, что разряд в смеси паровводы с аргоном дает лучший результат, позволяющий достичь световой отдачиплазмы в 40-45 Лм/Вт (~50% светоотдачи ртутных люминесцентных ламп).Описаны результаты моделирования плазмы разряда с парами воды, на основекоторого и с учетом экспериментальных данных определены цели работы –исследование путей повышения эффективности генерации УФ излучениямолекул гидроксила и таким образом, повышения эффективности источниковоптического излучения на основе разрядов с парами воды.В качестве объекта исследований был выбран разряд в смеси паров водыс аргоном, создаваемый в разрядных трубках с внутренней поверхностью,покрытой люминофором.

Люминофор играл чрезвычайно важную роль: оннасыщался молекулами воды при низкой температуре стенок (< 20оС) и затемиграл роль источника молекул воды при нагревании (аналог капли ртути вразрядах с парами ртути). При этом давление паров воды определялосьтемпературой стенки разрядной трубки.Вторая глава посвящена изучению возможности увеличенияэффективности генерации УФ излучения гидроксила 306.4 нм за счетдобавления к разряду в смеси паров воды с аргоном еще одного, более легкого(Ne, He), инертного газа, который является буферным газом по отношению к6молекулам воды и атомам аргона.

Идея предлагаемого способа заключается вувеличении времени диффузии молекул гидроксила к стенкам разряднойтрубки и связанным с этим ростом концентрации молекул ОН в плазме, что, всвою очередь, приведет к увеличению интенсивности полосы гидроксила 306.4нм. В случае, если увеличение рассеиваемой в плазме мощности, связанное суменьшением проводимости плазмы за счет роста общего давления смесиинертных газов (здесь важно, чтобы добавленный инертный газ определялтолько процессы диффузии и дрейфа и не влиял на ионизационный иэнергетический балансы плазмы), будет меньше роста интенсивностиизлучения молекул гидроксила, можно ожидать увеличения эффективностигенерации УФ излучения ОН.Задача решалась с использованием модели, предложенной в работе [6].Уравнения баланса для основных компонентов плазмы – концентрацииметастабильных атомов аргона Nm, концентраций молекул гидроксила восновном и возбужденном состояниях NOH и N*OH (состояние A2+),концентрации атомов водорода NH – можно написать следующим образом:Nm/t = NoneZom – NmneZmr − NmNH2OZqu ,NOH/t = NmNH2OZOHqu + N*OHA*OH – NOHneZ*OH – NOH/OH ,N*OH/t = NmNH2OZ*qu + NOHneZ*OH – N*OHA*OH ,NH/t = NmNH2OZHqu – NH/H .(1)Здесь NH2O есть концентрация молекул воды.

Кроме того,Zom − скорость возбуждения атома аргона электроном (с появлениемметастабильного атома),Zmr − скорость тушения метастабильного аргона электронным ударом (восновном через резонансное состояния с последующим высвечиванием),Z*OH − скорость возбуждения молекулы OH электронным ударом,Zqu – скорость тушения метастабильного атома аргона молекулой воды,ZOHqu − скорость тушения метастабильного атома аргона молекулой воды с еедальнейшей диссоциацией на H и OH(X2П),Z*qu − скорость тушения метастабильного аргона молекулой воды с еедальнейшей диссоциацией на H и OH(A2+) (т.е. одновременное возбуждениеOH), иZHqu − скорость тушения метастабильного атома аргона молекулой воды собразованием атома водорода.Далее, OH и H есть времена жизни молекул OH и атомов водорода поотношению к диффузии на стенку разрядной трубки. И, наконец, A*OH естьэффективная вероятность радиационного распада состояния A2 + молекулыгидроксила.В случае стационарного разряда левые части уравнений (4) равны нулю, ирешение может быть легко получено:7Nm = NoneZom(neZmr + NH2OZqu)–1 ,NOH = NH2ONm(ZOHqu + Z*qu)OH ,N*OH = NH2ONm (A*OH)–1[Z*qu + neZ*OHOH(ZOHqu + Z*qu)],NH = NH2ONmZHquH .(2)Предположим, что к разряду в смеси паров воды с аргоном приоптимальных для генерации излучения гидроксила 306.4 нм условиях добавленнеон или гелий.

Атомы неона и гелия имеют существенно более высокиеэнергии возбуждения и ионизации, чем аргон (для гелия энергия ионизациисоставляет 24.59 эВ, энергия возбуждения – 19.82 эВ, для неона – 21.57 эВ и16.62 эВ, для аргона – 15.76 эВ и 11.55 эВ соответственно), поэтому можноожидать, что в плазме аргона с парами воды процессы возбуждения иионизации атомов гелия и неона будут несущественны.

В этом случае роль этихатомов будет ограничиваться только влиянием на процессы диффузии атомов имолекул и дрейфа электронов и ионов в электрическом поле. Положим, чторазрядный ток достаточно велик, чтобы процессы возбуждения молекулгидроксила определялись главным образом столкновениями с электронами(этот режим является оптимальным для рождения возбужденных молекулгидроксила [6]). Тогда из третьего уравнения системы (2) можно легкополучить следующее соотношение для концентрации N*OH:N*OH = NH2ONm (A*OH)–1 neZ*OHOH(ZOHqu + Z*qu) ~ NH2ONm neOH ,(3)в котором для нас интересна только функциональная зависимость N*OH отпараметров разряда, для чего в (3) убраны константы процессов и оставленатолько пропорциональность характеристикам плазмы.

Видно, что концентрациявозбужденных молекул гидроксила, что вполне очевидно, пропорциональнавремени диффузии к стенке трубки OH. Используя результаты моделирования[7] можно получить следующее соотношение для эффективности генерации УФизлучения : ~ N*OHA*OHR2/(iE) ~ bi/λOH .(4)В соотношении (4) действительно отражаются два фактора, влияющие наэффективность генерации: обратная пропорциональность длине свободногопробега молекул гидроксила λOH (фактически это соответствует росту OH),увеличивающая эффективность с ростом давления, и пропорциональностьподвижности ионов bi, которая уменьшается с увеличением давления.В случае, когда буферным газом является один газ (аргон), подвижностьионов определяется двумя процессами – резонансной перезарядкой (ионыаргона движутся в собственном газе) и ион-атомным поляризационнымвзаимодействием.

В случае присутствия второго инертного газа (Ne или He),подвижность ионов (аргон) по отношению к этому второму газу будетопределяться только ион-атомным поляризационным взаимодействием.8Влияние столкновений ионов с молекулами воды и/или гидроксила, какпоказывают оценки, в исследованных условиях мало в силу малостиконцентрации молекул воды по сравнению с концентрацией атомов аргона. Дляразряда в смеси (Ar + H2O) подвижность ионов аргона и длину свободногопробега молекул гидроксила можно представить следующим образом:bi ~ (νia)–1 ~ (NoQoia) –1 ,λOH  (NoQoOH) –1 ,(5)где νia есть частота столкновений ионов аргона с атомами аргона, определяемаяэффективным сечением Qoia, которое, в свою очередь, определяется двумявышеупомянутыми процессами, QoOH – эффективное сечение столкновениймолекул гидроксила с атомами инертного газа. Из (4) и (5) легко получить связьэффективности генерации УФ излучения гидроксила с характеристикамисталкивающихся частиц:ηo ~ QoOH/Qoia .(6)Индексом «о» здесь для определенности отмечена эффективность разряда всмеси паров воды только с аргоном.Добавление второго инертного газа при прочих равных условияхувеличивает время диффузии молекул гидроксила к стенкам трубки и, такимобразом, может увеличить концентрацию молекул ОН.

Легко получить, что вэтом случае эффективность 1 будет пропорциональна дроби, в числителе изнаменателекоторойдобавляютсясоответствующиеслагаемые,характеризующие взаимодействие со вторым инертным газом:η1 ~ (NoQoOH + N1Q1OH)/(NoQoia + N1Q1ia) .(7)Здесь N1 есть концентрация второго инертного газа, Q1OH – эффективноесечение столкновений молекул гидроксила с атомами второго инертного газа,Q1ia – поляризационное сечение взаимодействия ионов аргона с атомамивторого инертного газа. Подчеркнем, что эффективное сечение Q1ia учитываеттолько поляризационное взаимодействие, поскольку резонансная перезарядка вданном случае невозможна. Легко показать, что требование η1 > ηo приводит кпростому неравенству:Q1OH /QoOH > Q1ia /Qoia .(8)Оценка максимально достижимого роста эффективности генерации УФизлучения гидроксила с использованием соответствующих сечений даетследующие результаты: в случае N1 >> No рост эффективности составляетпримерно 2 раза для разряда в смеси (Ar + Ne) и примерно 2.5 раза для разрядав смеси (Ar + He).9Очевидно, что максимальный рост эффективности УФ излучениягидроксила следует ожидать в случае, когда концентрация атомов второгодобавляемого инертного газа много больше концентрации атомов аргона.

Характеристики

Список файлов диссертации