CC BY
38
М. А. Кшевецкая, И. А. Шевкунов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛАЗМЫ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В СМЕСИ АРГОНА И ПАРОВ ВОДЫ*
Экологически безопасный источник света, сравнимый по эффективности с ртутными люминесцентными лампами, является целью всех основных производителей и разработчиков в области светотехники (см., напр., [1-4]). Однако по целому ряду причин на современном рынке безртутные люминесцентные лампы пока отсутствуют.
Предыдущие исследования [5, 6] показали, что газовый разряд низкого давления в инертном газе с добавлением молекул воды может быть источником мощного излучения гидроксильной группы ОН вблизи длины волны 306,4 нм, что делает такой разряд перспективным для создания источника света (источника оптического излучения) низкого давления. Разряд создавался в стеклянной трубке, внутренняя поверхность которой была покрыта люминофором, чувствительным к УФ-излучению гидроксила 306,4 нм. Трубка помещалась в водяную рубашку, при этом температура воды могла устанавливаться в диапазоне 5-95 °С. Перед зажиганием разряда люминофор при сравнительно низкой температуре стенок разрядной трубки (Т < 20 С) насыщался определённым количеством воды. Это количество было достаточно малым (начальное давление паров воды составляло 10 Па), так что при низкой температуре стенок трубки вода полностью поглощалась люминофором и не оказывала влияния на характеристики разряда в инертном газе. После зажигания разряда концентрация молекул воды соответствовала давлению насыщенных паров, определяемому температурой стенок. Исследования показали, что наибольшую интенсивность УФ-излучения гидроксила даёт разряд в смеси аргона и паров воды. Были также определены основные реакции, приводящие к рождению возбуждённых молекул гидроксила, и получены данные об эффективности разряда, которая при определённых условиях достигала 30-40 % по отношению к эффективности генерации УФ-излучения ртутным разрядом. На основе полученных результатов была предложена модель положительного столба разряда в смеси инертного газа и паров воды.
Основной проблемой в интерпретации экспериментальных данных [5, 6] была трудность определения давления паров воды как функции температуры стенок разрядной трубки. Непосредственное измерение давления паров воды в разрядной трубке весьма проблематично, поскольку абсолютная величина давления достаточно мала и составляет единицы-десятки миллиторр, а сам процесс наполнения разрядной камеры парами воды сопровождается их поглощением люминофором. Измерение давления при нагревании стенок трубки после заполнения инертным газом приведет к большой погрешности, так как давление паров воды много меньше давления инертного газа. Экспериментально измеренные характеристики положительного столба и построенная модель позволяют извлечь данную зависимость, что существенно облегчает интерпретацию результатов эксперимента и позволяет сравнить эти результаты с данными моделирования. Исходя из этого, целью данной работы является дальнейшее развитие модели положительного столба слаботочного разряда низкого давления в смеси инертного газа
* Работа выполнена при поддержке Министерства науки и образования РФ, государственный контракт 02.513.12.3084.
© М. А. Кшевецкая, И. А. Шевкунов, 2010
т, °с
Рис. 1. Концентрация молекул воды Жн2 о как функция температуры стенки Т
с парами воды, расчёт характеристик плазмы и сравнение данных расчёта с результатами эксперимента.
Измерение напряжённости продольного электрического поля Е в положительном столбе исследуемого разряда [6] показало, что зависимость Е от температуры стенок разрядной трубки с хорошей точностью является линейно растущей функцией. С другой стороны, моделирование [6] дало выражение
Е ~ Се (ЖоЖн2с)1/2 . (1)
Эти результаты позволили для концентрации молекул воды получить зависимость
Жн2о (Т) = С (0,25Т - 3,05)2 . (2)
Здесь N0 и Nн2о есть концентрации атомов аргона и молекул воды соответственно, Т - температура стенок разрядной трубки, Се и С - константы. Нормировочную константу С можно определить из условия, что при температуре стенок Т = 80 С вся изначально поглощённая люминофором вода находится в объёме разрядной трубки. В этом случае с учётом условий насыщения люминофора парами воды С = 7,9 • 1012 см~3. Температуру Т в (2) следует подставлять в градусах Цельсия.
На рис. 1 приведена концентрация молекул воды N^0 как функция температуры стенок разрядной трубки Т. Полученная зависимость позволяет, используя результаты работы [6], рассчитать характеристики плазмы и сравнить с данными эксперимента.
Данные расчёта интенсивности излучения гидроксила /он на длине волны 306,4 нм зависимости от температуры стенок при различных давлениях аргона Рдг приведены на рис. 2, а данные расчёта /он и эксперимента - на рис. 3.
Расчёт предсказывает увеличение интенсивности /он с ростом температуры стенок разрядной трубки Т, что соответствует экспериментально полученным данным. Кроме
90 т, °С
Рис. 2. Интенсивность излучения гидроксила как функция температуры стенки для разных давлений аргона:
г = 0,3 A
Т, °С
Рис. 3. Теоретическая и экспериментальная [5] зависимости интенсивности излучения гидроксила /он от температуры стенки Т:
РАг = 133 Па, г = 0,3 A
того, расчёт показывает, что с увеличением давления инертного газа интенсивность излучения гидроксила должна уменьшаться, что также подтверждается экспериментом. Сравнение с экспериментом показывает, что в диапазоне температур стенок разрядной трубки 30-60 С имеет место хорошее совпадение теории и эксперимента. Расхождение при Т > 60 С, по-видимому, можно объяснить тем, что при более высоких температурах (давлении паров воды) перестают выполняться предположения, положенные
20 30 40 50 60 70 80 90 Т, °С
Рис. 4- Интенсивность излучения атомов аргона Д как функция температуры стенки Т для разных концентраций электронов:
Рлг = 133 Па
Рис. 5- Теоретическая и практическая зависимость интенсивности излучения атомных линий аргона Д от температуры стенки трубки Т:
Рлг = 133 Па, г = 0,3 А, пе = 1012 см~3
в основу модели [6], в частности возможно образование отрицательных ионов, образование комплексов из молекул воды и других продуктов разрушения молекул воды, участие молекул воды и продуктов их разрушения в процессах ионизации.
На рис. 4 и 5 приведены данные расчёта и результаты измерения интенсивности линий аргона в спектральном диапазоне 600-700 нм в зависимости от температуры стенок трубки. Видно, что интенсивность излучения аргона уменьшается с увеличением давления паров воды. Это связано с уменьшением концентрации метастабильных атомов аргона из-за процессов тушения молекулами воды и уменьшением числа процессов ступенчатого возбуждения уровней аргона 3р54р, с которых происходит излучение наблюдаемых линий. Сравнение с экспериментом также даёт удовлетворительное согласие в диапазоне температур 30-60 С, где выполняются предположения модели [6].
Удовлетворительное совпадение расчётных данных с экспериментальными свидетельствует о правильности методики определения концентрации молекул воды в исследуемой плазме, что является необходимым условием для проведения дальнейших исследований. Полученные результаты позволяют наметить пути увеличения эффективности исследуемого разряда за счёт варьирования внешних параметров. Особенно актуальным является выяснение причин, приводящих к существенному изменению свойств плазмы при температуре стенок разрядной трубки выше 60 °С.
Литература
1. Boeuf J. P. // J. Phys. (D). 2003. Vol. 36. P. 53.
2. Uhrlandt D. et al. Low pressure mercury-free plasma light sources: experimental and theoretical perspectives // J. Phys. (D). 2005. Vol. 38. P. 3318.
3. Hilbig R. et al. Molecular discharge as light sources // Proc. 10th Int. Symp. on Science and Technology of Light Sources. Toulouse, 18-22 July 2004, Institute of Physics Conf. Ser. Vol. 182 / ed. by G. Zissis, Bristol: Institute of Physics Publishing. P. 75.
4. Jinno M. et al. Nitrogen: a possible substitute for mercury as a UV-emitter for mercury-less low-pressure discharge fluorescent lamps using Penning-like energy transfer. // J. Phys. (D). 2005. Vol. 38. P. 3312.
5. Artamonova E. et al. Low pressure water vapor discharge as a light source 1. Spectroscopic characteristics and efficiency // J. Phys. (D). 2008. Vol. 41. 155206.
6. Artamonova E. et al. Low pressure water vapor discharge as a light source 2. Electrical characteristics // J. Phys. (D). 2009. Vol. 42. 175204.
Статья поступила в редакцию 1 марта 2010 г.
