Автореферат (1150865), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Перед зажиганием разрядалюминофор насыщался определенным количеством воды при температуре 20oC. Как показали экспериментальные исследования, при таких температурахдавление паров воды в разрядном объеме было достаточно мало и не влияло нахарактеристики разряда в инертном газе. Нагрев стенок разрядной трубкиприводил к выделению молекул воды из люминофора.Рис. 1.
Потребляемая разрядом мощность W, эффективность η иинтенсивности линии атомарного водорода H 656 нм и полосы гидроксила306.4 нм в зависимости от температуры стенок разрядной трубки.13На Рис. 1 приведены результаты измерения характеристик разряда всмеси паров воды с аргоном в трубке, внутренняя поверхность которой былапокрыта слоем катализатора TiO2.
Измерялись потребляемая разрядоммощность W, эффективность η и интенсивности линии атомарного водорода H656 нм и полосы гидроксила 306.4 нм при 0.5 Тор.В целом полученные зависимости довольно близки к тем, что получаютсяв разряде без катализатора [5, 6].
Однако, есть заметная разница. Какпоказывает эксперимент, при давлениях аргона < 1-2 Тор рост вводимой вразряд мощности, интенсивностей водорода и гидроксила происходитсущественно быстрее, чем в случае разряда без катализатора.
При давленииаргона 0.5 Тор основной рост мощности и интенсивностей происходит втемпературном интервале ∆T ~ 5oC при изменении температуры от 60 до 65 оС(см. Рис. 1, в левом верхнем углу рисунка приведены интенсивности). Длясравнения на Рис. 2 приведено изменение вводимой в разряд мощности дляразрядов без TiO2 в смеси паров воды с неоном, аргоном и криптоном [5].Видно, что сравнимый рост потребляемой мощности для разряда в смеси саргоном происходит в температурном интервале ∆T ~ 20oC. Этосвидетельствует о том, что каталитическое разрушение молекул воды в разрядедействительно влияет на процессы в плазме и, прежде всего, на скоростьрождения молекул гидроксила.Рис. 2. Температурная зависимость потребляемой мощности W для разрядовс различными инертными газами (Ne, Ar, и Kr) [5]; давление инертного газаPRG = 1 Тор, электрический ток i = 0.3 A.14Увеличение давления аргона приводит к уменьшению влияниякатализатора TiO2.
Измерения соответствующих характеристик при давленияхаргона 5 Тор и 10 Тор показало, что рост интенсивности излучения атомарноговодорода и гидроксила становится сравнимым с тем, что наблюдается вразрядах без катализатора. Это объясняется уменьшением потока молекул водык стенкам трубки при увеличении давления и, следовательно, уменьшениемчисла столкновений молекул воды с катализатором на стенках трубки.Ускорение роста концентраций молекул гидроксила в основном ивозбужденном состояниях, концентрации атомов водорода и интенсивностиизлучения 306.4.нм следует также из уравнений (9): первые производныеdNOH/dNH2O, dN*OH/dNH2O, dNH/dNH2O и, соответственно, dIOH/dNH2O вприсутствии катализатора TiO2 содержат дополнительные положительныеслагаемые (эти слагаемые выделены жирным шрифтом).Измерение оптических и энергетических характеристик разряда скатализатором позволили оценить световую отдачу исследуемого разряда. Ксожалению, полученные величины не превосходили того, что было получено вработах [5, 6].
По нашему мнению, это было связано с сильным поглощениемУФ-излучения двуокисью титана, что существенно уменьшало возбуждениелюминофора излучением гидроксила. Как уже отмечалось, данная проблемаможет быть решена соответствующим размещением слоя TiO2 в таких частяхразрядной трубки или в таком количестве, которые не мешают возбуждениюлюминофора.Четвертая глава посвящена описанию результатов исследованияимпульсно-периодического разряда в смеси паров воды с аргоном.Импульсный (импульсно-периодический) режим питания тлеющегоразряда отличается от режима постоянного тока по крайней мере в двухотношениях: 1) существенным ростом напряженности электрического поля вимпульсе тока, что обогащает функцию распределения электронов быстрымиэлектронами, и 2) возможным «включением» новых процессов при уменьшениисредней энергии электронов в послесвечении разряда (столкновения второгорода, рекомбинация заряженных частиц, рождение молекулярных ионов и др.).Для исследуемого в данной работе разряда первое приводит к увеличению вэнергетическом балансе электронов доли мощности, идущей на неупругиепроцессы (возбуждение и ионизация атомов и молекул), и, в конечном счете, кросту излучения [2], второе – к возможному образованию отрицательныхионов, чему способствует низкая средняя энергия электронов и наличие частиц,способных к образованию отрицательно заряженных частиц – Н, О, ОН, Н2О и,возможно, других.
Образование отрицательных ионов уменьшает подвижностьэлектронов и приводит к росту напряженности продольного электрическогополя, т.е. к росту рассеиваемой в плазме мощности.В патенте [9] предложен способ получения оптического излучения сиспользованием импульсно-периодического разряда в молекулярном газе.Рассматривался разряд в смеси инертного газа с малой добавкой молекулярногогаза.
При этом полагалось, что электроны получают энергию от электрического15поля с напряженностью E и теряют ее главным образом при неупругихстолкновениях с атомами инертного газа и молекулами добавки. Этопредположение хорошо выполняется в случае рассматриваемого нами разрядапостоянного тока в смеси аргона с парами воды, причем неупругиестолкновения с молекулами воды могут быть заметно более важными, чемнеупругие столкновения с атомами аргона.
Используя результаты патента [9]можно оценить напряженность электрического поля, которая обеспечитувеличение энергии, идущей на электронное возбуждение атомов и молекул:E {*mol,atommol/[ebe]}1/2,(12)где e и be есть заряд и подвижность электрона, mol – частота колебательновращательных столкновений электронов с молекулами добавки, *mol,atom –энергия возбуждения электронного состояния атома или молекулы. При*mol,atom ~ 10 эВ, давлении аргона ~ 1 Тор и концентрации молекул воды ~10141015 cm–3 можно получить для требуемой величины напряженности поля Epulseследующее неравенство:Epulse 10 V/cm .(13)Импульсно-периодический разряд в смеси паров воды с инертными газами неисследовался, и вопрос о возможности повышения эффективности генерацииУФ излучения гидроксила оставался открытым. Влияние двух факторов, одиниз которых – рост напряженности поля – приводит к увеличениюэффективности, а второй – рождение отрицательных ионов – ведет квозможномууменьшениюэффективности,явилсястимуломэкспериментального исследования такого разряда.Для измерения напряженности продольного электрического поля E вположительном столбе разряда в смеси паров воды с инертными газамииспользовалась экспериментальная установка, аналогичная описанной в работе[7].
В разрядную трубку вводились два электрических цилиндрическихмолибденовых зонда, ориентированных перпендикулярно оси трубки.Конструкция трубки представлена на Рис. 3. Поскольку для стабилизации иизменения температуры стенок разрядной трубки использовался водянойжакет, выводящие электроды зондов располагались вдоль трубки.Рис. 3. Конструкция разрядной трубки с зондами.16Импульсно-периодический режим питания разряда создавался спомощью схемы, представленной на Рис. 4. Последовательно с разряднойтрубкой включался полевой транзистор, на затвор которого поступалиимпульсы с генератора и запирали его на время импульса. Величину тока вимпульсе можно было выбирать с помощью сопротивлений, включенныхпоследовательно с трубкой и транзистором, а также изменением напряженияпитания схемы.
На этом рисунке показана также мини-камера для измеренияполного светового потока, испускаемого плазмой.Рис. 4. Схема создания импульсно-периодического разряда. На этом жерисунке показана мини-камера (mini-integrating cylinder) для измерения полногосветового потока, испускаемого плазмой.Измерения проводились следующим образом. Измерялись напряжениямежду анодом и катодом Uac, анодом и первым и вторым зондами Ua1 и Ua2,напряжение между зондами U12, напряжения между катодом и зондами Uc1 иUc2. Напряженность продольного электрического поля рассчитывалась поформулеE = U12/l12 ,(14)где l12 есть расстояние между зондами.
Полное падение напряжения вприэлектродных областях Uelectrode рассчитывалось с помощью соотношенияUelectrode = Uac – E∙lcol ,(15)где lcol – длина положительного столба. При этом полагалось, что длиныкатодной и анодной областей много меньше длины положительного столба,17поэтому в качестве lcol бралось расстояние между электродами (визуальныенаблюдения подтверждают это допущение).На следующих Рис. 5 и Рис. 6 представлены результаты измеренияэлектрического тока i(t), напряжения на электродах разрядной трубки Uac(t) инапряженности продольного электрического поля E(t) в положительном столберазряда в смеси паров воды и аргона при давлении аргона 1 Тор и двухтемпературах стенок трубки – 30оС и 60оС. Частота повторения импульсов была5 КГц, скважность импульсов – 2, разрядный ток в импульсе – 300 мА.Длительность импульсов (100 мкс) для исследованных условий быладостаточно большой, чтобы к концу импульса характеристики плазмы былиблизки к характеристикам разряда постоянного тока при 300 мА.
Это хорошовидно из рисунков: разрядный ток становится равным 300 мА, напряженностьполя и напряжение на электродах выходят на плато.При температуре стенок 30оС характеристики плазмы близки к тому, чтонаблюдается в разряде в чистом аргоне. Например, напряженностьэлектрического поля в конце импульса составляет примерно 1 В/см, чтосовпадает со значениями в разряде постоянного тока [6] при давлении аргона 1Тор и токе 0.3 А.i, mAE, V/cm8002,570Uac, V 60502,06001,5400401,0300,520102000,00-0,50-200-1,0-10-1,5050100150200-400250t, sРис.
5. Напряжение на разрядной трубке Uac(t), электрический ток i(t) инапряженность продольного электрического поля E(t) при импульснопериодическом питании (Ar + Н2О)-разряда при температуре стенок трубки30 oC. Частота повторения импульсов 5 KГц, скважность импульсов – 2,давление аргона – 1.0 Тор.18i, mAUac, VE, V/cm200150880066004400220000100500-2-200-50050100150200250t, sРис. 6. То же, что и на Рис. 5, но при температуре стенок трубки 60оС.Увеличение температуры стенок разрядной трубки до 60оС существеннымобразом изменяет измеряемые характеристики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
