Диссертация (1150867), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Выводы по гл.1В первой главе получены следующие результаты.1. Проведен анализ результатов исследований по созданию экологическибезопасных источников оптического излучения. Рассмотрены разрядыразного типа: тлеющий, емкостной и индуктивный, барьерный, импульсныйразряды. Особое внимание уделено разрядам с легкоионизуемымидобавками.2. Описаны результаты исследования разряда в смеси паров воды с инертнымигазами: электрических, спектральных, оптических и светотехническиххарактеристик.3.
Намеченывозможныепутиповышенияэффективностиультрафиолетового излучения молекул гидроксила 306.4 нм.генерации45Глава 2ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СМЕСЕЙ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В КАЧЕСТВЕБУФЕРНЫХ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАЦИИУФ ИЗЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИЛА2.1. Модификация модели для случая плазмы разряда в смеси паров водыс несколькими инертными газамиКак следует из модели [11] (см. соотношение (1.10)), зависимость концентрациивозбужденных молекул гидроксила от концентрации молекул воды –растущаякорневая.
Интенсивность IOH полосы ОН 306.4 нм и эффективность такжеувеличиваются с ростом NH2O. Непосредственное увеличение концентрации NH2O,которое можно легко получить с ростом температуры стенок разрядной трубки, неприводит, как показывает эксперимент [10], к росту эффективности генерации УФизлучения гидроксила (см. Рис. 1.6 и1.7). По-видимому, это связано ссущественным ростом вклада процессов с участием молекул воды в формированиесвойств плазмы, в частности, влиянием на дрейф электронов (уменьшение ихподвижности),возможным образованием комплексов молекул воды друг с другоми с молекулами гидроксила, ионизацией молекул воды и производных от неечастиц и т.д.
Увеличить концентрацию молекул гидроксила можно увеличив времяжизни этих молекул в объеме плазмы, например, за счет роста общего давлениясмеси и увеличения времени диффузии молекул гидроксила к стенкам трубки.Однако в случае смеси паров воды с аргоном, дающим наилучшие условиягенерацииУФ-излученияэффективности,посколькугидроксила,этоконцентрациятакженедаетвозбужденныхувеличенияатомоваргонауменьшается с ростом давления (см. первое уравнение соотношений(1.9)).
НаРис.2.1приведеназависимостьэффективностигенерацииУФ-излучениягидроксила от давления аргона при различных температурах стенок разряднойтрубки (зависимость получена из данных Рис. 1.7 [10]), подтверждающаясделанный вывод. Увеличения времени диффузии молекул гидроксила без46сильного влияния на концентрацию возбужденных атомов аргона можно пытатьсяполучить добавлением к начальной смеси еще одного инертного газа ссущественно более высоким потенциалом возбуждения и ионизации, так чтобы онне влиял на процессы ионизации и потери энергии электронами.
Такими газами поотношению к аргону могут быть неон и гелий.Рис. 2.1. Зависимость эффективности генерации УФ-излучения гидроксила отдавления аргона при различных температурах стенок разрядной трубки [10].Рассмотрим данную задачу, воспользовавшись моделью, предложенной вработе [11]. Уравнения баланса для основных компонентов плазмы – концентрацииметастабильных атомов аргона Nm, концентраций молекул гидроксила в основном47и возбужденном состояниях NOH и N*OH, концентрации атомов водорода NH – будутаналогичны (1.6).Предположим, что к разряду в смеси паров воды с аргоном при оптимальныхдля генерации излучения гидроксила 306.4 нм добавлен неон или гелий. Атомынеона и гелия имеют существенно более высокие энергии возбуждения иионизации, чем аргон (для гелия энергия ионизации составляет 24.59 эВ, энергиявозбуждения – 19.82 эВ, для неона – 21.57 эВ и 16.62 эВ, для аргона – 15.76 эВ и11.55 эВ соответственно [54]), поэтому можно ожидать, что в плазме аргона спарами воды процессы возбуждения и ионизации атомов гелия и неона будутнесущественны.
В этом случае роль этих атомов будет ограничиваться влияниемна процессы диффузии атомов и молекул и дрейфа электронов и ионов вэлектрическом поле. Положим, что разрядный ток достаточно велик, чтобыпроцессы возбуждения молекул гидроксила определялись главным образомстолкновениями с электронами. Тогда из третьего уравнения системы (1.7) можнолегко получить следующее соотношение для концентрации возбужденных молекулОН:N*OH = NH2ONm (A*OH)–1neZ*OHOH(ZOHqu + Z*qu) ~ NH2ONmneOH ,(2.1)в котором для решения поставленной задачи интересна только функциональнаязависимость N*OH от параметров разряда, для чего в (2.1) убраны константыпроцессов и оставлена только пропорциональность характеристикам плазмы.
Изусловия ступенчатой ионизации атомов аргона в исследуемых условиях [11] можнополучить следующее соотношение для концентрации метастабильных атомоваргона:NmZmi = a–1 ~bikTe/R2→ Nm ~ bi/R2 .(2.2)Здесь, как и раньше, мы полагаем, что зависимостями от температуры электроновв (2.2) можно пренебречь по отношению к главной зависимости Zom, имеющей48порог 11.55 эВ, bi –подвижность ионов аргона.
Из уравнения для электрическоготока через плазму можно получить соотношение для концентрации электронов:ne ~ i(beNH2O)–1/2 R–2 .(2.3)Подставляя (2.2) и (2.3) в (2.1), для излучения 306.4 нм, испускаемого единицейобъема плазмы, получим:N*OHA*OHR2 ~i(beNH2O)–1/2(bi /be)(λOH)–1 ,(2.4)что для эффективности генерации УФ излучения приведет к соотношению (см.(1.12)): ~ N*OHA*OHR2/(iE) ~ bi/λOH .(2.5)При выводе (2.5) мы использовали представление напряженности продольногоэлектрического поля в положительном столбе в виде E ~ (NH2O/be)1/2, которое можнополучить из баланса энергии электронов в предположении, что они получаютэнергию от электрического поля и теряют ее при неупругих столкновениях смолекулами воды [11].
В соотношениях (2.4) и (2.5) λOH – длина свободного пробегамолекул гидроксила.В случае, если буферным газом является один газ (аргон), подвижность ионовопределяется двумя процессами – резонансной перезарядкой (ионы аргонадвижутся в собственном газе) и ион-атомным поляризационным взаимодействием.В случае присутствия второго инертного газа (Ne или He), подвижность ионов поотношению к этому второму газу будет определяться только ион-атомнымполяризационным взаимодействием.
Влияние столкновений ионов с молекуламиводы и/или гидроксила, как показывают оценки, в исследованных условиях мало всилу малости концентрации молекул воды по сравнению с концентрацией атомов49аргона. Для разряда в смеси (Ar + H2O) подвижность ионов аргона и длинусвободного пробега молекул гидроксила можно представить следующим образом:bi ~ (νia)–1 ~ (NoQoia) –1 ,λOH(NoQoOH) –1 ,(2.6)где νia есть частота столкновений ионов аргона с атомами аргона, определяемаяэффективным сечениемQoia, которое, в свою очередь, определяется двумявышеупомянутыми процессами, QoOH – эффективное сечение столкновениймолекул гидроксила с атомами инертного газа.
Из (2.5) и (2.6) легко получить связьэффективности генерации УФ излучения гидроксила с характеристикамисталкивающихся частиц:ηo ~ QoOH/Qoia .(2.7)Индексом «о» здесь для определенности отмечена эффективность разряда в смесиаргона с парами воды.Добавление второго инертного газа при прочих равных условиях увеличиваетвремя диффузии молекул гидроксила к стенкам трубки и, таким образом, можетувеличить концентрацию молекул ОН и, как следствие, увеличить эффективность.Легко получить (см.
наши работы [47, 53], что в этом случае эффективность 1будет пропорциональна дроби, в числителе и знаменателе которой добавляютсясоответствующие слагаемые, характеризующие взаимодействие со вторыминертным газом:η1 ~ (NoQoOH + N1Q1OH)/(NoQoia +N1Q1ia) .(2.8)Здесь N1 есть концентрация второго инертного газа, Q1OH – эффективное сечениестолкновений молекул гидроксила с атомами второго инертного газа, Q1ia –поляризационное сечение взаимодействия ионов аргона с атомами второгоинертного газа. Подчеркнем, что эффективное сечение Q1ia учитывает только50поляризационное взаимодействие, поскольку резонансная перезарядка в данномслучае невозможна. Легко показать, что требование η1>ηo приводит к простомунеравенству:Q1OH /QoOH>Q1ia /Qoia .(2.9)Молекула гидроксила имеет большой дипольный момент dOH = 1.7eoao (e – зарядэлектрона, ao – радиус первой боровской орбиты электрона в атоме водорода) [55,56].
Атом инертного газа, попавший в поле диполя (молекулы гидроксила), будетполяризоваться. Взаимодействие между этими частицами будет определятьсяэлектрическим полем постоянного диполя молекулы ОН и наведенным диполематома инертного газа. Можно показать [45], что транспортное сечение этоговзаимодействия будет пропорционально (αdOH2)1/3, где α есть поляризуемость атомаинертногогаза.Очевидно,чтолеваячастьнеравенства(2.9)будетпропорциональна (α1/αo)1/3, αo – поляризуемость атома аргона, α1 – поляризуемостьатома второго добавленного к аргону газа.Поляризуемость атомов инертных газов хорошо известна и для Ar, Ne и He равнасоответственно 11.1ao3, 2.76ao3 и 1.39ao3 [56].Оценка сечений поляризационного взаимодействия молекулы гидроксила синтересующими нас инертными газами дает следующие результаты: с Ar – 4•10–cm2, с Ne – 2,5•10–15cm2, с He – 2•10–15cm2.15Поляризационное сечениеQ1ia в правой части неравенства (2.9) может бытьрассчитано с помощью следующей формулы:Q1ia = 2π(αe2/ε)1/2 ,(2.10)Где ε – это энергия сталкивающихся частиц.
Эффективное сечение Qoia для Ar+-Arстолкновений, как уже отмечалось, определяется двумя процессами: ион-атомнымполяризационнымЭкспериментальновзаимодействиемизмеренноесечениеирезонанснойрезонанснойперезарядкой.перезарядкиAr+-Arдля51энергии 0.03 эВ равно 1.2•10–14cm2[58] (теоретический расчет с помощью [57,59]дает близкое значение 8•10–15cm2). Сечение первого процесса можно рассчитатьс помощью (2.10), что дает для аргона 1.6•10–14cm2, неона – 0.8•10–14cm2, гелия –0.6•10–14cm2.Прежде всего, полученные данные о сечениях процессов показывают, что ростэффективности генерации излучения 306.4 нм молекул гидроксила при добавлениивторого инертного газа к аргону действительно возможен: при условии N1>>No придобавлении неона неравенство (2.9) оказывается таким 0.61 > 0.29, при добавлениигелия – 0.49 > 0.21.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
