Диссертация (1150867), страница 6
Текст из файла (страница 6)
одновременное возбуждение OH), иZHqu− скорость тушения метастабильного атома аргона молекулой воды собразованием атома водорода.Далее, OH и H есть времена жизни молекул OH и атомов водорода по отношениюк диффузии на стенку разрядной трубки. И, наконец, A*OHесть эффективнаявероятность радиационного распада состояния A2+ молекулы гидроксила.В случае стационарного разряда левые части уравнений (4) равны нулю, ирешение может быть легко получено:Nm = NoneZom(neZmr + NH2OZqu)–1 ,NOH = NH2ONm(ZOHqu + Z*qu)OH ,N*OH = NH2ONm (A*OH)–1[Z*qu + neZ*OHOH(ZOHqu + Z*qu)],NH = NH2ONmZHquH.(1.7)Когда роль молекул воды в тушении метастабильных атомов аргона посравнению с «перемешиванием» электронами (перевод метастабильного атомааргона в резонансное состояние при столкновении с электроном; эта реакцияхарактеризуется скорость Zmr) мала, концентрация метастабильных атомов аргонане зависит от концентрации электронов (электрического тока) (см.первоеуравнение(1.7)).
Это хорошо согласуется с экспериментальными данными [44, 45,51, 52] и данными Рис.1.10, которые показывают слабую зависимость I излучениялюминофора от тока при низких температурах стенок, т.е. малой концентрациимолекул воды.В наиболее интересной для нас области условий разряда молекулы водыявляются основными «тушащими» частицами (второе слагаемое в первом38уравнении (1.7) много больше первого), так что концентрация Nm определитсяследующим образом:Nm = NoneZom(NH2OZqu)–1.(1.8)Комбинируя(1.5), (1.7) и (1.8) и полагая, что зависимость Zom от температурыэлектронов гораздо сильнее, чем зависимость Zmi в связи с большой разницей вэнергетических порогах (порог реакции 0 → m составляет ~ 11.5 эВ, порог реакцииm → i~ 4.2 эВ), можно получить простые соотношения для концентраций основныхкомпонентов плазмы:Nm = Cm(NoR2)–1 ,NOH = COHNH2O ,N*OH = C*OH(NH2O/No)R–2[Z*qu + C**OHiNo(No/NH2O)1/2] ,NH = CHNH2O.(1.9)Как и ранее, Cm, COH, C*OH, C**OH и CH слабо зависят от температуры электронов,поэтому их можно полагать константами.
Из выражений (1.9) видно, чтоконцентрация молекул гидроксила в основном состоянии и концентрацияатомарноговодородапропорциональныконцентрациимолекулводы.Концентрация возбужденных молекул гидроксила имеет более сложнуюзависимость: первоеслагаемоев квадратных скобкахописывает вкладвозбуждения за счет тушения, второе слагаемое – возбуждение столкновениями сэлектронами. Эта зависимость упрощается при больших токах, когда основнойвклад в возбуждение дают столкновения с электронами (основной вклад даетвторое слагаемой в квадратных скобках, см. Рис.1.10), что соответствует реальнымусловиям работы источников света:N*OHK*OHK**OH(NoNH2O)1/2iR–2.1.10)39Используя (1.5) и (1.9) можно легко получить соотношение для интенсивностилинии OH 306.4 нм, испускаемой единицей объема плазмы:IOH = CI(NH2O/No)R–2[Z*qu + C**OHi(No3/NH2O)1/2] ,(1.11)и соотношение для эффективности излучения молекул гидроксила единицей длиныположительного столба ~ IOHR2/(iE): ~ N*OHA*OHR2/(iE) = CNH2O1/2(iNo3/2)–1Z*qu + CC**OH.(1.12)По причинам, изложенным ранее, коэффициенты CI и C слабо зависят оттемпературы электронов и считаются константами.
Интенсивность IOH в (1.11)является суммой двух слагаемых –константы, которая описывает возбуждением засчет тушения метастабильных атомов аргона молекулами воды, и второго,пропорционального электрическому току и отвечающего за электронноевозбуждение молекул гидроксила, возникших в реакциях тушения молекуламиводы. Экспериментально полученная зависимость имеет аналогичный вид (см. Рис.1.10) – линейный рост при относительно больших токах и увеличениеинтенсивности с увеличением концентрации молекул воды. Эффективность описывается двумя слагаемыми, первое из которых растет как корень изконцентрации молекул воды, второе близко к константе. Качественно полученноевыражение совпадает с экспериментом: эффективность растет с ростом давленияпаров воды (до температур стенок разрядной трубки ~ 50оС) и уменьшается сувеличением давления инертного газа (см.
Рис. 1.7). Повышение температурыстенок > 50оС и, соответственно, давления паров воды приводит, по-видимому, ктому, что модель перестает работать из-за слишком больших концентрациймолекул воды и нарушения предположений, положенных в основу модели(например, предположения об определяющем влиянии атомов инертного газа наподвижность электронов, предположения об отсутствии комплексов молекул водыи гидроксила, ионизация только атомов аргона и т.д.).40Построеннаямодельобъясняет такженаблюдаемоеэкспериментальноуменьшение интенсивности излучения спектральных линий аргона с ростомдавления паров воды (см.
Рис.1.11 [10]).В предположении ступенчатоговозбуждения уровней 3p54p атома аргона [51, 52] можно получить следующеесоотношение для интенсивности испускаемых с этих уровней линий аргона взависимости от внешних параметров разряда [11]:Ik ~ NmneZmk ~ iR–4(NoNH2O)−1/2 .(1.13)Intensity of atomic lines (rel.
un.)10000Ne800060004000Ar2000Kr020304050607080oTube wall temperature T ( C)Рис. 1.11. Интенсивность видимых линий инертных газов в зависимости оттемпературы стенок разрядной трубки, давление инертного газаPRG = 133 Pa, i =0.3 A [10].41Из (1.13) следует, что интенсивности линий аргона уменьшаются с ростомконцентрации молекул воды как (NH2O)−1/2. Эксперимент дает уменьшениепримерно в два раза при увеличении давления водяного пара в интервалетемператур (30-60) °С. Таким образом, несмотря на относительную простотумодели, она адекватно объясняет полученные экспериментально закономерности вдиапазоне условий, когда атомы аргона определяют процессы ионизации идиффузию частиц в объеме плазмы, а молекулы воды – энергетические потериэлектронов и тушение возбужденных атомов аргона.1.4. Возможности повышения световой отдачи источников света ивозможность создания источника когерентного излучения на основе разрядав смеси инертных газов с парами водыПолученная экспериментально эффективность генерации УФ-излучениямолекул гидроксила, дающая в результате световую отдачу разрядной лампы насмеси паров воды с аргоном (40-45) Лм/Вт, примерно вдвое меньше светоотдачиртутных люминесцентных ламп.
Очевидно, что следующим шагом в этихисследованиях должен был стать поиск возможностей повышения эффективности.Моделирование плазмы разряда в смеси инертных газов и паров воды позволилонаметить такие пути.Рождение возбужденных молекул гидроксила в исследуемом разрядепроисходит главным образом за счет двух процессов: 1) тушение метастабильныхатомов аргона молекулами воды с одновременным рождением возбужденноймолекулы гидроксила Ar*+H2O→OH(A2+)+H+Arи 2) возбуждение молекулгидроксилаOH(X2П), рожденных в первой реакции и испытавших радиационноеразрушение, при столкновениях с электронами, причем второй процесс являетсяглавными при разрядных токах, характерных для рабочих условий источниковсвета.
Можно предположить, что увеличение концентрации молекул гидроксиласпособно привести к соответствующему увеличению вклада второй реакции винтенсивность УФ-излучения. Используя это простое соображение, былопредложено и исследовано три возможных пути увеличения эффективности42генерации УФ-излучения 306.4 нм молекулы гидроксила для случая разряда всмеси аргона с парами воды, представленные в наших работах [47, 48, 53].
Эти тривозможности – следующие.1. Добавление к аргону других инертных газов, имеющих более высокиепотенциалы возбуждения и ионизации (Ne, He). Идея состоит в увеличенииконцентрации молекул ОН за счет увеличения времени их диффузии к стенкамразряда. В случае, если эффект от увеличения времени диффузии молекулгидроксила к стенкам разрядной трубки будет сильнее эффекта от возможногоуменьшения подвижности электронов и связанного с этим роста рассеиваемой вплазме электрической мощности, использование сложных смесей инертных газовприведет к увеличению эффективности генерации излучения молекуламигидроксила. При этом добавляемый инертный газ (газы) должен играть роль«буфера», определяющего только процессы диффузии частиц.2.
Использование катализатора для ускорения развала молекул воды нагидроксил и атомарный водород. Известно (см. напр. [49]), что такимкатализатором может быть двуокись титана TiO2, которая в присутствии УФизлучения обеспечивает разложение молекулы воды на молекулу гидроксила иатом водорода: H2O → OH + H.3. Переход к импульсно-периодическому способу питания разряда.
Известно,чтоимпульсно-периодическоепитаниетлеющегоразрядаприводитксущественному увеличению напряженности электрического поля в импульсе тока[3]. Это, в свою очередь, при определенных условиях разряда увеличивает долюэнергии, идущей на неупругие процессы, и может увеличить эффективностьгенерации излучения плазмой.Процесстушениявозбужденных атомов аргонамолекуламиводыспоследующим рождением атома водорода и возбужденной молекулы гидроксилаоткрывает еще одну возможность для практического использования тлеющегоразряда в смеси инертных газов с молекулами воды.
Рождение молекул гидроксилав возбужденном состоянииA2Σ+ при столкновениях молекул воды с возбужденнымиатомами аргона может привести к возникновению инверсии данного состояния по43отношению к основному состоянию X2П, поскольку заселение состоянияA2Σ+происходит«сверху».Возможнотакжевозникновениеинверсиивнутриколебательно-вращательной структуры возбужденного состоянияA2Σ+ в случае,если заселение уровней данной структуры происходит селективно.
Данный вопрослежит несколько в стороне от основной темы работы, тем не менее, используяполученную нами информацию, нам представляется целесообразным рассмотретьтакже и этот вопрос. Данная возможность описана в нашей работе [50].Из приведенного обзора литературы следует, что создание нового эффективногои экологически безвредного источника оптического излучения (источника света)является актуальной научной и практической задачей. Моделирование исследуемойплазмы дает возможные пути достижения поставленной цели.
Для выяснениявозможностей увеличения эффективности генерации УФ излучения плазмы ивозможности создания когерентного источника излучения на основе разряда всмеси паров воды с инертными газами были поставлены и решены следующиезадачи:1) модификация модели плазмы [11] включением в нее использованиясложных смесей инертных газов и влияния каталитического разрушениямолекул воды с целью поиска возможностей увеличения эффективностигенерации оптического излучения гидроксила;2) исследование плазмы разряда в смеси паров воды с несколькимиинертными газами;3) изучение возможности увеличения концентрации молекул гидроксила висследуемом разряде за счет каталитического разрушения молекул водыи увеличения, таким образом, УФ излучения молекул ОН;4) исследование импульсно-периодического режима питания разряда сцелью воздействия на процессы возбуждения молекул гидроксила;5) изучение возможности создания источника когерентного излучения наоснове разряда в смеси паров воды и инертного газа.441.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
