Диссертация (1150867), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При этом общеедавление смеси в разряде изменялось (увеличивалось) незначительно. После21каждого добавления измерялись характеристики плазмы. Таким образом, можнобыло проследить изменение свойств плазмы в зависимости от концентрациимолекул воды в разряде. Во втором случае люминофор, нанесенный навнутреннюю поверхность разрядной трубки, играл роль резервуара для молекулводы (аналог капли ртути в разряде с парами ртути). При нагревании стенокразрядной трубки с предварительно насыщенным водой люминофороммолекулы воды выделялись из люминофора, причем давление насыщенноговодяного пара над поверхностью люминофора, как показали исследования,определялось температурой стенок. Два метода введения молекул воды в разряддавали плазму с сильно различающимися свойствами. При добавлении водыфиксированными порциями результирующая концентрация молекул воды вразряде определялась процессами с их участием, в том числе разрушением пристолкновениях с другими частицами плазмы (электронами, возбужденнымиатомами, фотонами и др.), а также возможным прилипанием молекул воды кстенкам разрядной трубки.
Как результат, концентрация молекул воды в плазмебыла неизвестна. В случае использования люминофора концентрация молекулводы задавалась температурой стенок разрядной трубки вне зависимости отпроцессов с участием молекул воды, что существенно облегчало анализполученных результатов и моделирование плазмы.Исследования [7-9] показали, что в условиях разряда молекулы водыразрушаются преимущественно на атомарный водород и молекулы гидроксила,которые являются источником сильного УФ-излучения 306.4 нм, возникающегопри переходе молекул ОН из возбужденного состоянии A2+ в основное X2П.
НаРис.1.3 приведен спектр излучения плазмы разряда в смеси аргона с парами водыпри давлении аргона 10 Torr и разрядном токе 200 мА. Видно, что интенсивностьполосы ОН 304.6 нм значительно превосходит остальное излучение в области(220-940)nm. Присутствует также излучение атомарного водорода (Hα и Hβ) илинии аргона, которые в сравнении с интенсивностями в разряде без водыоказываются в несколько раз менее интенсивны. Молекулы воды в этихэкспериментах вводились в разрядный объем фиксированными порциями.22Рис.1.3.
Спектр излучения разряда постоянного тока в смеси аргона с парамиводы, возбуждаемого в кварцевой трубке. Давление аргонаPRG =1330 Pa,разрядный ток i = 200 mA [7, 8].На следующем Рис.1.4 представлены спектры излучения разрядов в смеси Ar спарами воды, когда внутренняя поверхность трубки покрыта слоем люминофора[10,11]. Давление аргона составляло 1 Torr, разрядный ток – 300 мА. Длястабилизации температуры стенок использовались разрядные трубки,помещенные в водяной кожух, позволявший устанавливать температуру стенок вдиапазоне (5-95)оС с точностью 0.1оС.
Трубки имели стандартные (BaO-SrO-CaO)оксидные электроды, которые для предотвращения взаимодействия с молекуламиводы подогревались постоянным током ~300 мА. Давление инертного газа лежалов диапазоне (65-2700) Ра, паров воды – (0-10) Ра.23Intensity (rel. un.)50403020100300400500600700800900Wavelength (nm)Рис. 1.4.
Спектр излучения разряда (Ar+H2O) при 20оС (сплошная линия) и 90оС(пунктир). Давление инертного газа PRG = 133 Pa, i = 0.3 A [10].Люминофор играл в этих экспериментах тройную роль:1) как уже отмечалось, люминофор хорошо поглощает молекулы воды приотносительно низкой температуре и выделяет их при нагревании, причемдавление насыщенных паров воды определяется температурой стенок разряднойтрубки,2) люминофор являлся индикатором разложения молекул воды на атомарныйводород и молекулы гидроксила, что фиксировалось по наличию излучениялюминофора, возбуждаемого излучением ОН 306.4 нм, и присутствием в спектреатомарных линий водорода,243) наличие люминофора приближало конструкцию разряда к реальномуисточнику света.
На Рис.1.4 приведены спектры при двух температурах стенокразрядной трубки: при 20оС и 90оС. При 20оС характеристики плазмы близки ктому, что наблюдается в разряде без добавления паров воды; при 90оСприсутствие паров воды существенно. Наглядно видна трансформация спектра сувеличениемтемпературы.СплошнойспектрнаРис.1.4–свечениетрехполосного люминофора, возбуждаемого излучением ОН 306.4 nm.Интегральное излучение люминофора значительно превосходит излучениелиний аргона и водорода.На следующем Рис.1.5 приведены спектры излучения плазмы для смеси паровводы с различными инертными газами. Из рисунка видно, что наилучшим с точкизрения возбуждения люминофора является разряд в смеси паров воды с аргоном.Затем следует разряд в смеси с неоном и далее – с криптоном.
Исследовался такжеразряд в смеси паров воды с ксеноном. Однако, полученные результатывозбуждения люминофора были существенно хуже результатов даже для смеси скриптоном, поэтому упоминание о разряде с ксеноном имеет смысл исключительнос точки зрения общности. СледующийРис.1.6 представляет относительнуюсветовую отдачу плазмы разряда с различными инертными газами в зависимостиот температуры стенок разрядной трубки.
Разряд с аргоном действительно имеетсущественно более высокую светоотдачу с максимумом при температуре стенококоло 50оС. По этой причине в работах [10, 11] основное внимание было уделеноисследованию разряда в смеси паров воды с аргоном.255550ArNeKr45Intensity (rel.un.)4035302520151050-5350400450500550600650Wavelength (nm)Рис. 1.5. Спектр излучения разрядов в смеси (Ar + H2O) (сплошная линия), (Ne +H2O) (пунктир) и (Kr + H2O) (точки) [10] . Температура стенок разрядной трубки– 80оС, давление инертного газа – 133 Ра, разрядный ток – 0.3 А.На следующем Рис.1.7 приведены результаты измерения температурнойзависимости световой отдачи плазмы, отнесенной к светоотдаче ртутныхлюминесцентных ламп, при различных давлениях аргона.Видно, чтотемпературные зависимости весьма сходные: с ростом температуры световаяотдача растет, достигает максимума при (40-70)оС и затем уменьшается.
Максимумсветоотдачи наблюдается при давлениях аргона (70-133) Pa. Принимая вовнимание, что светоотдача стандартных ртутных люминесцентных лампсоставляет ~ 100 Лм/Вт, светоотдача плазмы разряда в смеси паров воды с аргономможет составлять (40-45) Лм/Вт.26220ArLight efficiancy I/W (rel. un.)200180160140120100Kr80Ne6040102030405060708090100oTube wall temperature T ( C)Рис. 1.6. Световая отдача (в отн. ед.) плазмы разрядов в смеси паров воды сразличными инертными газами в зависимости от температуры стенок разряднойтрубки [10]. Давление инертного газа PRG= 133 Pa, разрядный ток i = 0.3 A.27Light efficiency related to Hg lamp0,480,5 Torr0,440,8 Torr0,401,5 Torr0,360,320,284,6 Torr0,240,200,1619 Torr0,120,0810203040506070Tube wall temperature T8090100(oC)Рис.
1.7. Световая отдача плазмы разряда в смеси паров воды с аргоном,отнесенная к светоотдаче ртутных люминесцентных ламп, в зависимости оттемпературы стенок разрядной трубки при различных давлениях аргона [10].Исследование электрических характеристик разряда в смеси паров воды синертными газами также дали весьма интересные результаты. Известно [1], чтоприсутствие паров воды в объеме люминесцентной лампы значительно сокращаетсрок службы оксидных электродов. Поэтому при изготовлении люминесцентныхисточников света предпринимаются специальные меры для удаления воды изразрядного объема, которая может присутствовать в материалах, применяемых впроизводстве люминесцентных ламп (стекло, люминофор, металлические вводыэлектродов, ртуть, инертные газы). Молекулы воды вступают в реакцию с оксидомэлектродов и снижают их эмиссионную способность.
Первым признаком такоговлияния является увеличение катодного падения потенциала. В отсутствии28молекул воды катодное падение составляет (14-16) В [43].Присутствие молекулводы способно увеличить падение потенциала в несколько раз. На Рис.1.8приведены результаты измерения катодного падения потенциала Uelectrodes взависимости от давления аргона при различных температурах стенок разряднойтрубки.
Полученное увеличение катодного падения для оптимальных условийгенерации УФ-излучения молекул ОН 306.4 нм (давление аргона ~ (100-150) Ра,температура стенок разрядной трубки ~ 50оС) оказалось не превышающим 1.5-2раза, что вполне приемлемо для реального источника излучения. Более того,исследование срока службы созданных на основе данного разряда источниковсвета показало, что присутствие молекул воды в разрядной плазме не влияетсущественно на эмиссионные свойства электродов.
Здесь, однако, следуетзаметить, что в данных лампах использовался дополнительный постоянныйпрогрев электродов внешним током, что позволяло поддерживать достаточновысокую температуру электродов и препятствовать протеканию реакций междуоксидом и молекулами воды. При увеличении давления аргона катодное падениеUelectrodes проходило через минимум при ~ 400 Ра и затем увеличивалось стенденцией к насыщению при PAr> 1250 Pa.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
