Автореферат (1150865), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Приэтом необходимо, чтобы процессы возбуждения и ионизации атомов второгогаза были несущественными. Однако, также очевидно, что предел«разбавления» аргона вторым инертным газом должен существовать, потомучто в пределе, когда аргона пренебрежимо мало, разряд долженподдерживаться ионизацией этого второго газа. На первый взгляд, большаяразница в концентрациях маловероятна. Тем не менее, можно привести рядсоображений, позволяющих утверждать, что на самом деле выполнениеусловия N1 >> No вполне реально.В исследованных нами условиях разряда в аргоне – давление инертногогаза 1 Тор и выше, электрический ток составляет сотни мА, радиус разряднойтрубки > 1 см – процессы возбуждения атомов аргона являются ступенчатыми.Присутствие паров воды может только усилить роль ступенчатых процессов,поскольку приведет к уменьшению числа быстрых электронов вэнергетическом распределении из-за увеличения числа неупругихстолкновений электронов с молекулами воды и продуктами ее разрушения вусловиях разряда (прежде всего, с молекулами гидроксила).

По этой причине«критической» (пороговой) энергией для поддержания разряда будет энергиявозбуждения первых уровней атома аргона 11.55 эВ. Эта энергия заметноменьше энергии возбуждения атомов неона (16.62 эВ) и гелия (19.82 эВ), неговоря уже об энергиях ионизации этих атомов. Учитывая, что средняя энергияраспределения электронов не превышает 1.5-2 эВ, следует ожидать, чтопроцессы с пороговой энергией > 16 эВ будут несущественны.Разряды в смесях газов с большой разницей в концентрациях (отношениеконцентраций может достигать 10–2-10–3) известны и достаточно хорошоисследованы. Примерами таких разрядов могут служить разряды в смеси паровметаллов (Hg, Cd, Zn, Na, K, Cs и др.) с легкими (He, Ne, Ar) инертными газами.Например, наиболее хорошо изученный разряд в смеси паров ртути с аргоном вусловиях близких к условиям работы ртутных люминесцентных лампосуществляется при давлении аргона 3-5 Тор и давлении паров ртути ~ 6•10–3Тор.

При этом аргон играет роль буферного газа, влияющего только напроцессы диффузии и дрейфа частиц.Разряд в смеси инертных газов также может обладать похожимисвойствами. В работе [7] исследовался разряд в смесях He-Ar и He-Xe с цельюопределения констант скоростей конверсии атомарных ионов. Для решенияпоставленной задачи создавался разряд, в котором концентрация атомов гелиябыла более чем на два порядка больше концентрации атомов аргона иликсенона. Тем не менее, ионизационный баланс плазмы определялся именноэтим более тяжелым инертным газом.

Другими словами, гелий являлсябуферным газом, атомы которого не возбуждаются и не ионизуются, хотя егоконцентрация много больше концентрации более тяжелого инертного газа. Этиданные подтверждают возможность заметного увеличения эффективности при10использовании добавки, по крайней мере, гелия к разряду в смеси аргона спарами воды.В третьей главе исследуется возможность повышения эффективностиУФ излучения молекул гидроксила за счет каталитического разрушениямолекул воды с использованием диоксида титана TiO2.Из модели [6] следует, что концентрации молекул гидроксила в основном ивозбужденном состояниях пропорциональны концентрации молекул воды (см.(2) и (3)). Однако, непосредственное увеличение концентрации молекул воды вплазме повышением температуры нагрева стенок трубки не приводит к ростуэффективности излучения 306.4 нм. Как показывает эксперимент, существуетоптимальное давление паров воды, соответствующее температуре стенок ~ (5060)oC [5, 6]; дальнейшее увеличение давления паров воды уменьшаетэффективность.

Рост концентраций NOH и N*OH без увеличения концентрациимолекул воды можно попытаться получить с помощью использованиякатализатора, ускоряющего разрушение молекул воды с рождением радикалаОН. Известно [8], что таким катализатором является диоксид титана TiO2,ускоряющий реакцию H2O → OH + H в присутствии ультрафиолетовогоизлучения, что легко реализовать в разрядной плазме. Желаемый эффект можетбыть достигнут с помощью покрытия внутренней поверхности трубки(люминофора) слоем диоксида титана. Однако, диоксид титана, как известно,хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны < 350 нм,поэтому его использование в качестве покрытия стенок трубки можетухудшить выход УФ излучения из плазмы.

Влияние этого эффекта может бытьуменьшено соответствующим размещением TiO2 на внутренней поверхноститрубки, например, в виде тонких полос или размещения в приэлектроднойобласти и т.п. В данной работе использовался слой TiO2, покрывающий всювнутреннюю поверхность разрядной трубки. В этом случае влияниедополнительного процесса разрушения молекул воды максимально, чтооблегчает регистрацию и экспериментальное исследование данного эффекта.Разрушение молекул воды за счет действия катализатора будетпроисходить тогда, когда молекулы воды будут контактировать с TiO2, т.е.

состенкой разрядной трубки. Следовательно, интенсивность этого процессадолжна быть пропорциональна обратному времени диффузии молекул воды кстенкам трубки H2O−1. Соответствующие слагаемые были включены в системууравнений (1) для компонентов рассматриваемой плазмы (здесь и далеедополнительные слагаемые выделены жирным шрифтом):Nm/t = NoneZom – NmneZmr − NmNH2OZqu ,NOH/t = NmNH2OZOHqu + N*OHA*OH – NOHneZ*OH – NOH/OH + NH2O/H2O,N*OH/t = NmNH2OZ*qu + NOHneZ*OH – N*OHA*OH ,NH/t = NmNH2OZHqu – NH/H + NH2O/H2O.(9)По сравнению с системой (1) второе и четвертое уравнения в (9) содержатдополнительные слагаемые, в которых  есть вероятность разрушения11молекулы воды на Н и ОН при столкновении с диоксидом титана (со стенкойразрядной трубки).В случае стационарного разряда левые части уравнений (4) равны нулю, ирешение может быть представлено следующим образом:Nm = NoneZom(neZmr + NH2OZqu)–1 ,NOH = NH2ONm(ZOHqu + Z*qu)OH + NH2OOH/H2O ,N*OH = NH2ONm (A*OH)–1[Z*qu + neZ*OHOH(ZOHqu + Z*qu)] +NH2OneZ*OH(A*OH)–1OH/H2O ,NH = NH2ONmZHquH + NH2OH/H2O .(10)Из (10) видно, что концентрации молекул гидроксила в основном ивозбужденном состояниях действительно больше по сравнению сконцентрациями в случае отсутствия каталитического разрушения молекулводы (выделенные жирным шрифтом слагаемые, пропорциональныевероятности , положительны).

Это, очевидно, приведет к увеличению какинтенсивностиультрафиолетовогоизлучениямолекулгидроксила,испускаемого единицей объема плазмы, так и эффективности генерации этогоизлучения.Обнаруженный эффект зависит от вероятности . Оценки, сделанные дляоптимальных с точки зрения генерации УФ излучения молекул ОН, даютследующие соотношения:N*OH/NH2O ~ NOH/NH2O ~ Nm(ZOHqu + Z*qu)OH + OH/H2O .(11)Полученные соотношения показывают, что относительный рост концентрациимолекул гидроксила в основном и возбужденном состояниях одинаков. Первоеслагаемое в (11), как показывают оценки, равно примерно 0.45, второеслагаемое фактически равно вероятности , поскольку отношение OH/H2Oблизко к 1 из-за близости масс и дипольных моментов молекул гидроксила иводы.

В случае, если  ≈ 1, рост возбужденных молекул гидроксила может бытьсущественным (до трех раз), что приведет к соответствующему увеличениюинтенсивности 306.4 нм и увеличению эффективности ее генерации.Для экспериментального исследования влияния катализатора на свойстваисследуемой плазмы использовалась экспериментальная установка, котораявключала в себя разрядную трубку, систему питания и стабилизации разряда,полихроматор Ocean Optics DS2000 для измерения спектра излучения плазмы(диапазон измерения 220-850 нм), вакуумное оборудование. Разряд создавалсяв стеклянной трубке, внутренняя поверхность которой была покрыта слоемлюминофора и слоем катализатора TiO2.

Внутренний диаметр разрядной трубкисоставлял 15-30 мм, длина трубки – 25-30 см. Трубка имела стандартные (BaOSrO-CaO)-электроды для ртутных люминесцентных ламп. Давление инертногогаза варьировалось в диапазоне 65-2700 Pa, электрический ток – в диапазоне100-600 mA, давление паров воды изменялось от 0 до 10 Ра. Покрывающий12внутреннюю поверхность трубки люминофор имел максимум полосыпоглощения около 300 нм (вблизи излучения молекул ОН 306.4 нм), иизлучение люминофора служило индикатором появления молекул гидроксила вразряде. Другим косвенным индикатором появления молекул ОН служилоизлучение атомарного водорода и, прежде всего, – линии H (656.3 nm).Поскольку люминофор является хорошим поглотителем молекул водыпри низких температурах и источником молекул воды при его нагревании,разрядная трубка помещалась в водяной жакет, температура которого моглаизменяться в диапазоне (5-95)оС с точностью 0.1оС.

Характеристики

Список файлов диссертации