Диссертация (1150867), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Этоприводит к увеличению как интенсивности IOH ультрафиолетового излучениямолекул гидроксила, испускаемого единицей объема плазмы, так и эффективностигенерации этого излучения :IOH ~ N*OHA*OH= CI(NH2O/No)R–2[Z*qu + C**OHi(No3/NH2O)1/2] +С***OHi(NoNH2O)1/2R–2OH/H2O ,(3.3) ~ N*OHA*OHR2/(iE) = CNH2O1/2(iNo3/2)–1Z*qu + CC**OH +CC***OHOH/H2O .Какив[11],(3.4)«константы»C**OHиC***OHявляютсяслабымифункциямитемпературы электронов, и этой зависимостью можно пренебречь.Обнаруженный эффект зависит от вероятности . Оценки, сделанные дляоптимальных с точки зрения генерации УФ излучения молекул ОН [10, 11], даютследующее соотношение:N*OH/NH2O ~ NOH/NH2O ~ Nm(ZOHqu + Z*qu)OH + OH/H2O,(3.5)Которое показывает, что относительный рост концентрации молекул гидроксила восновном и возбужденном состояниях одинаков.

Первое слагаемое в (3.5) равнопримерно 0.45 (также, как в работе [8], мы полагаем, что для оптимальных условийOH ≈ 10–2s,Nm ≈ 1011cm–3[51, 52], (ZOHqu + Z*qu) ≈ 4.5•10–10cm3/s [68, 69]), второеслагаемое фактически равно вероятности, поскольку отношение OH/H2Oпрактически равно 1 из-за близости масс и дипольных моментов молекулгидроксила и воды [46]. В случае, если ≈ 1, рост возбужденных молекул59гидроксила может быть существенным, что приведет к соответствующемуувеличению интенсивности 306.4 нм и увеличению эффективности ее генерации.3.2. Описание экспериментальной установкиЭкспериментальная установка для исследования разряда в смеси паров воды иинертного газа была аналогична описанной в [10, 11].

Экспериментальнаяустановка включала в себя разрядную трубку, систему питания и стабилизацииразряда, полихроматор OceanOpticsDS2000 для измерения спектра излученияплазмы (диапазон измерения 220-850 нм), вакуумное оборудование. Разрядсоздавался в стеклянной трубке, внутренняя поверхность которой была покрытаслоем люминофора и слоем катализатора TiO2. Внутренний диаметр разряднойтрубки составлял 15-30 мм, длина трубки – 25-30 см.

Трубка имела стандартные(BaO-SrO-CaO)-электродыдляртутныхлюминесцентныхламп.Давлениеинертного газа варьировалось в диапазоне 65-2700 Pa, электрический ток – вдиапазоне 100-600 mA, давление паров воды изменялось от 0 до 10 Ра.Покрывающий внутреннюю поверхность трубки люминофор имел максимумполосы поглощения 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 воды принизких температурах и источником молекул воды при его нагревании, разряднаятрубка помещалась в водяной жакет, температура которого могла изменяться вдиапазоне (5-95)оС с точностью 0.1оС. Перед зажиганием разряда люминофорнасыщался определенным количеством воды при температуре  20oC.

Как показалиэкспериментальные исследования, при таких температурах давление паров воды вразрядном объеме было достаточно мало и не влияло на характеристики разряда винертном газе. Нагрев стенок разрядной трубки приводил к выделению молекулводы из люминофора.Чтобы предотвратить поглощение молекул воды оксидом электродов, оба60электрода постоянно нагревались внешним источником тока (~ 300mA).

Какпоказал эксперимент, этого было достаточно для долговременной работыэлектродов в присутствии молекул воды и продуктов их разрушения.Для измерения полного потока излучения плазмы в видимой области спектрабыла изготовлена специальная цилиндрическая камера – «мини-камера» (аналогсветового шара в светотехнике, условное название «мини-камера» используетсядля краткости и для того, чтобы подчеркнуть ее малые размеры в противовессветовому шару, который, как правило, имеет большие размеры (диаметр шарабольше метра)). Мини-камера окружала определенную часть разрядной трубки.Внутренняя поверхность этой камеры была покрыта белой отражающей краской.Излучение из камеры снималось с помощью вмонтированного в стенку камерыфотодиода.

Фотодиод был прокалиброван в абсолютной мере с учетомспектральной световой эффективности монохроматического излучения S()(функции видности человеческого глаза), что позволяло получать интегральныйсветовой поток, измеряемый в люменах. При варьировании температуры стенокразрядной трубки измерялись:- световой поток Ф, испускаемый положительным столбом и исправленный подспектральную световую эффективность монохроматического излучения,- электрическая мощность, потребляема разрядом,- спектр излучения плазмы в области 300-850 нм, причем измеренияпроводились с помощью двух световодов, один из которых использовался дляпередачи излучения, проходящего через люминофор и стенки разрядной трубки(этот световод был вмонтирован в стенку камеры с фотодиодом), а второй – дляпередачи излучения, исходящего из области трубки, не покрытой люминофором; спомощью последнего, несмотря на поглощение в стекле,была возможностьизмерять интенсивность излучения до ~300 нм, включая УФ полосу 306.4 нммолекулы ОН.Данные спектральных и оптических измерений вместе с данными измерениявводимой в разряд мощности W использовались для расчета световойэффективности 611 = ФL/(Wl)(3.6)Здесь L есть длина разрядной трубки, l – длина части трубки, покрытой миникамерой.

Эффективность  получалась в единицах Лм/Вт благодаря абсолютнойкалибровке, проведенной в компании General Electric Lighting Co.3.3. Результаты экспериментальных исследованийНа Рис. 3.1 приведены интенсивности излучения спектральной линии аргона763 нм, линии атомарного водорода Нα 656.3 нм и излучения полосы гидроксилаОН 306.4 нм (в максимуме) для разряда без использования катализатора TiO2.Также как и в работах [10, 11], рост температуры стенок разрядной трубкиприводит к увеличению концентрации молекул воды в разрядном объеме.

Изрисунка видно, что появление молекул воды становится заметным, начиная стемператур ~30-40 оС: наблюдается рост излучения водорода и гидроксила. Приэтом весьма примечательным является то, что излучение атомов аргона дотемпературы ~55 оС остается практически неизменным. По всей видимости, этосвидетельствует о том, что процессы ионизации и возбуждения в плазме остаютсянеизменными вплоть до температур ~50-60 оС.

При дальнейшем увеличениитемпературы стенок концентрация молекул воды становится достаточной для того,чтобы процессы тушения метастабильных атомов аргона молекулами воды стализаметными. Поскольку возбуждение линий аргона является ступенчатым,уменьшение концентрации Ar* приводит к уменьшению интенсивности линийаргона.62nm306,4Norm_nm656Norm_nm7631,0Intensity, rel.un.0,80,60,40,20,0102030405060708090owall temperature, CРис. 3.1. Интенсивности излучения спектральной линии аргона 763 нм (другиелинии аргона в области 700-850 нм имели аналогичную зависимость), линииатомарного водорода 656.3 нм и полосы ОН 306.4 нм в максимуме как функциитемпературы стенок разрядной трубки. Давление аргона – 1.0 Torr, разрядныйток – 0.3 A.На следующем Рис. 3.2 приведены результаты измерения характеристикразряда в смеси паров воды с аргоном в трубке, внутренняя поверхность которойбыла покрыта слоем катализатора TiO2.

Измерялись потребляемая разрядоммощность W, эффективностьηи интенсивности линии атомарного водорода H 656нм и полосы гидроксила 306.4 нм при 0.5 Тор (a), 5 Тор (б) и 10 Тор (в) аргона. Вцелом полученные зависимости довольно близки к тем, что получаются в разрядебез катализатора [10, 11]: при низкой температуре T< 40 оС излучение полосы ОНи линии водорода H незначительно, потребляемая разрядом мощность Wпрактически не изменяется с ростом температуры.

Дальнейший нагрев стеноктрубки приводит к росту этих характеристик: электрическая мощность монотоннорастет,другиехарактеристикипроходятчерезмаксимумы,приэтом63интенсивности H и полосы ОН 306.4 нм, также как и эффективности η, растут втемпературном интервале 40-65 оС, а затем уменьшаются. Однако, есть заметнаяразница между двумя разрядами. Как показывает эксперимент, при давленияхаргона < 1-2 Тор рост интенсивностей водорода и гидроксила происходитсущественно быстрее, чем в случае разряда без катализатора. При давлении аргона0.5 Тор основной рост интенсивностей происходит в температурном интервале ∆T~5oC при изменении температуры от 60 до 65 оС (см.

Рис. 3.2а, в левом верхнемуглу рисунка приведены интенсивности). Для сравнения на Рис. 3.2г приведеноизменение вводимой в разряд мощности для разрядов в смеси паров воды с неоном,аргоном и криптоном [10]. Видно, что сравнимый рост потребляемой мощности дляразряда в смеси с аргоном 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 скорость рождениямолекул гидроксила.Увеличение давления аргона приводит к уменьшению влияния катализатораTiO2. При давлениях аргона 5 Тор и 10 Тор рост интенсивности излученияатомарного водорода и гидроксила становится сравнимым с тем, что наблюдаетсяв разрядах без катализатора. Рис. 3.2в,г иллюстрируют это утверждение, причем,чем выше давление аргона, тем меньше «скорость» роста интенсивностей ивводимой в разряд мощности. Это объясняется уменьшением потока молекул водык стенкам трубки при увеличении давления и, следовательно, уменьшением числастолкновений молекул воды с катализатором на стенках трубки.Ускорениеростаконцентрациймолекулгидроксилавосновномивозбужденном состояниях, концентрации атомов водорода и интенсивностиизлучения 306.4.нм следует также из уравнений (3.2) и (3.3): первые производныеdNOH/dNH2O,dN*OH/dNH2O,dNH/dNH2OиdIOH/dNH2OвTiO2содержатдополнительныеположительныеприсутствиислагаемыекатализатора(этислагаемыевыделены жирным шрифтом), т.е.

Характеристики

Список файлов диссертации