Сравнение спектральных характеристик плазмы аргонового и ксенонового дуговых разрядов атмосферного давления Текст научной статьи по специальности «Физика»

Journal of Siberian Federal University. Chemistry 2 (2011 4) 148-152

УДК 543.423

Сравнение спектральных характеристик плазмы аргонового и ксенонового дуговых разрядов атмосферного давления

Н.Г. Внуковаа,6,в, А.Л. Колоненков, В.А. Лопатин6, Г.Н. Чурилова,б,в*

а Сибирский федеральный университет, Институт Инженерной физики и радиоэлектроники Россия 660041, Красноярск, Свободный, 79 б Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Россия 660036, Красноярск, Академгородок, 50/38, в Красноярский государственный педагогический университет им В.П. Астафьева, Россия 660060, Красноярск, Ады Лебедевой, 89 1

Received 3.06.2011, received in revised form 10.06.2011, accepted 17.06.2011

Выполнено исследование спектральных характеристик дугового разряда атмосферного давления килогерцового диапазона частот методом атомно-эмиссионной спектроскопии. В качестве плазмообразующего газа использовались аргон и ксенон.

Ключевые слова: эмиссионная спектроскопия, плазма, ксенон, аргон.

Введение

Газовый разряд привлекает внимание исследователей-специалистов в различных областях, таких как электротехника, энергетика, плазмохимия и другие. Это связано как с новым осмыслением фундаментальных процессов, протекающих в низкотемпературной плазме, так и с практическим значением его использования в плазменных технологиях [1]. Как практическое, так и фундаментальное направления интенсивно исследуются. Число направлений применения газовых разрядов достаточно велико, например: сварочные дуги, накачка газовых лазеров и источники света для аналитической химии [2].

Атомно-эмиссионная спектроскопия в силу простоты реализации, высокой чувствительности и воспроизводимости является одним из основных методов элементного анализа вещества. Данный метод анализа получил широкое применение в металлургической и горной про-

* Corresponding author E-mail address: churilov@iph.krasn.ru

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

мышленности, в прикладной геохимии и экологическом мониторинге окружающей среды [3]. Хорошо решен вопрос получения и регистрации спектральной информации высокоэффективными спектрометрами, укомплектованными фоторегистрирующими устройствами на основе ПЗС-матриц. Однако задача точного определения качественного и количественного состава газообразных, жидких и твердых проб связана с задачей получения чистой плазмы, лишенной мешающих атомных линий и молекулярных полос. Основная проблема источников, работающих в открытом пространстве, связана с повышением уровня фона и образованием молекулярных полос в результате взаимодействия анализируемых веществ с воздухом. Таким образом, применение газов с большей атомной массой может привести к отсутствию молекулярных полос, не относящихся непосредственно к анализируемому веществу. При этом будут сохранены такие неоспоримые достоинства источников света для атомно-эмиссионного анализа, работающих на воздухе, как высокая скорость анализа и простота.

Экспериментальная часть

Исследовался разряд между двумя медными водоохлаждаемыми электродами в открытом пространстве. Центральный электрод выполнен в виде стержня с осевым отверстием диаметром 1,5 мм, через которое подавался плазмообразующий газ. Второй электрод-индуктор выполнен из медной водоохлаждаемой трубки. Ток дуги составлял 10-13 А, что обеспечивало локальное термодинамическое равновесие в плазме разряда [4]. Скорость подачи плазмообра-зующего газа составляла 8 л/мин.

Кроме электродов, установка для атомно-эмиссионного анализа состоит из генератора ТВЧ, блока согласования, спектрографа PGS-2 (с разрешением 7,4 А/мм в диапазоне от 200 до 900 нм) [5] и устройства электронной регистрации спектра. Регистрация спектра осуществлялась при помощи фотоэлектронной кассеты ФЭК-9, разработанной ООО «Многоканальные оптические регистрационные системы» [6].

В качестве плазмообразующего газа для данного разряда в одном случае использовался аргон (ГОСТ 10157-79), а в другом ксенон (ГОСТ10219-77).

Результаты и их обсуждение

В спектре аргона зарегистрированы молекулярные полосы, принадлежащие N2, в диапазонах длин волн 337,1- 357,7 и 357,7-380,5 нм [4]. Поскольку массовая доля азота в аргоне не превышает 0,005 %, мы считаем, что азот поступает в разряд из окружающей его атмосферы, т.е. воздуха.

На рис. 1 и 2 представлены спектры плазмы разряда в атмосфере воздуха в диапазонах длин волн 210-520 нм с аргоном и ксеноном, в качестве плазмообразующего газа. В спектрах присутствуют атомарные линии меди в диапазоне длин волн 210-231, 324,7 и 327,3 нм и группа линий 510,5, 515,3 и 521,8 нм. Концентрация меди в спектре плазмы разряда в атмосфере воздуха с ксеноном выросла, поскольку на рис. 2 зарегистрировано значительное увеличение интенсивности атомарных линий меди. Также в спектрах зарегистрированы молекулярные полосы N2 (диапазон 337,1-357,7; 357,7-380,5; 380,5- 409,5 нм). На рис. 2 в диапазоне длин волн 420480 нм зарегистрированы атомарные линии ксенона [7]. Линии аргона не зарегистрированы во всем диапазоне длин волн от 210 до 510 нм.

3№

ДНИНИ иии 1<. нч

Рис. 1. Спектр плазмы разряда при использовании плазмообразующего газа аргона в диапазоне длин волн 220-520 нм

^ _■ : —

1-Г1^ ¡Л.

ис

350

Лчншл П^ИЧ. М Ч|

4.41

Рис. 2. Спектр плазмы разряда при использовании плазмообразующего газа ксенона в диапазоне длин волн 220-520 нм

Для оценки стабильности излучения плазмы разряда был использован коэффициент вариации, который является стандартным в математической статистике [8]. Для оценки была использована линия меди 249,2 нм. Коэффициент вариации имел значение 6,1 % в случае использования ксенона в качестве плазмообразующего газа и 2,8 % в случае аргона.

Методом Орнштейна была рассчитана температура разряда, которая составила для аргонового 5000±100 К и для ксенонового 5760±115 К. Очевидно, причина роста температуры заключается в значительном уменьшении потока газа извне, поскольку на представленных спектрах показано, что в спектре ксенона практически отсутствуют молекулярные полосы азота.

Для оценки эрозии электрода была произведена экстраполяцией зависимости интенсивности линии меди 510,5 нм от её концентрации в плазме. Были приготовлены эталоны с процентным содержанием меди от 0,1 % до 0,00001 % в графитовой матрице, и была получена прямолинейная концентрационная зависимость. Установлено, что эрозия центрального электрода выросла в случае использования ксенона в качестве плазмообразующего газа и составила 6-10-11 кг/Кл, в то время как при использовании аргона эрозия составляет 1,8-10-11 кг/Кл. Рост эрозии при одинаковом токе разряда обусловлен тем, что атомная масса ксенона более чем в три раза превышает массу аргона, а основной механизм поступления электронов в плазму - это ионная бомбардировка катода.

Выводы

Использование ксенона в качестве плазмообразующего газа высокочастотного разряда атмосферного давления, с одной стороны, действительно позволяет избавиться от присутствия в спектре молекулярных полос азота, а также повысить температуру в межэлектродном промежутке, но с другой - приводит к росту эрозии центрального электрода и снижению стабильности разряда. Следует отметить, что ксенон является еще и дорогим газом. Таким образом, результаты работы носят фундаментальный характер, поскольку ксенон может быть использован для практических целей спектроскопии лишь в исключительных случаях.

В дальнейшем мы планируем применить криптон, поскольку он также имеет большую относительную атомную массу, чем у аргона. К тому же стоимость криптона в десять раз ниже стоимости ксенона, а следовательно, он может более широко применяться в спектроскопии для решения аналитических задач.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект № 09-03-00383-а).

Список литературы

1. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит, 2006. 571 с.

2. Шибкова Л.В., Шибков В.М. Разряд в смесях инертных газов. М.: Физматлит, 2005. 199 с.

3. Иванова Т.И., Ткачев Ю.А. Спектральный анализ в геологии и геохимии. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 295 с.

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1986. 590 с.

5. Сыченко Д.П., Внукова Н.Г., Лопатин В.А., Глущенко Г. А., Марачевский А.В., Чурилов Г.Н. // ПТЭ. 2004. №3. С.1

6. Григорьев Л.И., Силькис Э.Г.//Аналитика и контроль. 2002. Т. 6. № 3. С. 295.

7. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Славный В.А., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. М.: Наука, 1969. 782 с.

8. Налимов В.В. Применение математической статистики при анализе вещества. М.: Физ-матгиз, 1960. 187 с.

Comparison of Plasma Spectral Characteristic of Argon and Xenon arc Discharges Under Atmospheric Pressure

Natalia G. Vnukovaabc , Andrey L. Kolonenkoc, Vladislav A. Lopatinb and Grigory N. Churilova,b,c

a Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Siberian Federal University, Institute of Engineer physics and Radioelectronics, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia b L.V. Kirensky Institute of Physics SB RAS, 50/38 Academgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia c Interdisciplinary Investigations center of V.P. Astafiev Krasnoyarsk State Pedagogical University, 89 A. Lebedeva st., Krasnoyarsk, 660049 Russia

Spectral characteristics investigation of arc discharge kHz frequency under atmospheric pressure is carried out by atom-emission spectroscopy. Argon and xenon were used as gas for plasma formation.

Keywords: emission spectroscopy, plasma, xenon, argon.