Оценка электронной температуры разряда, находящегося внутри замкнутой полости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535:621.31

В.И. Горбунков, V.I. Gorbunkov А.А. Кузнецов, A.A. Kusnezov *К.Р. Сайфутдинов, K.R. Sayfutdinov ** В.В. Седельников, V.V. Sedelnikov

Омский Государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia

*Омский Государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия Omsk State University of means of communication, Omsk, Russia **Омское моторостроительное объединение им. П.И. Баранова, г. Омск, Россия Omsk engine-building association of P.I. Baranov, Omsk, Russia

ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗРЯДА, НАХОДЯЩЕГОСЯ ВНУТРИ ЗАМКНУТОЙ ПОЛОСТИ

EVALUATION OF ELECTRONIC DISCHARGE TEMPERATURE INSIDE A CLOSED CAVITY

На примере излучателя в виде ртутной газоразрядной лампы низкого давления, находящейся в замкнутой полости, рассмотрены вопросы определения электронной температуры излучателя, имеющие первостепенное значение для установления больцмановского распределения возбужденных атомов по энергетическим уровням.

On the example of the emitter in the form of a mercury discharge lamp of low pressure located in the housing, the issues of determining the electron temperature of the enclosed radiator, which are of paramount importance for the establishment of a Boltzmann distribution of excited atoms on energy levels.

Ключевые слова: тепловой излучатель, термическое равновесие плазмы низкого давления, Больцманов-ский излучатель

Keywords: thermal emitter thermal equilibrium low pressure plasma, Boltzmann emitter

К модели теплового излучателя [1] обращаются при рассмотрении процессов установления термического равновесия газоразрядной плазмы, существующей в замкнутой полости, которая представляет собой либо камеру разряда атомно-эмиссионного спектрометра типа «Аргон - 5СФ» [2], либо цилиндр с диффузно отражающими стенками [3]. При исследовании разряда высокого, а также низкого давления исследователей всегда интересует устойчивость получаемой спектральной картины, поэтому так важны термодинамические параметры, прежде всего электронная температура и концентрация возбужденных атомов. В работе [4] приводятся результаты исследований электрокинетических параметров разряда люминесцентных ламп малого диаметра по зондовой характеристике и полученному максвеллов-скому электронному распределению определялась электронная температура Te и концентрация ne. В [4] концентрация возбужденных атомов не была найдена и, учитывая первостепенное значение её в определении интенсивности спектральной линии, рассмотрим процедуру, позволяющую определить отношение концентраций в случае равновесного заселения нижних энергетических уровней в плазме низкого давления.

При одновременном отсутствии равновесия с излучением, когда самопоглощение не играет заметной роли, интенсивность спектральной линии выражается известной формулой

Л, = NkAlahv>kl , (1)

откуда видно, что наряду с вероятностью перехода Агк, интенсивность зависит от концентрации возбужденных атомов №. Рассмотрим случай двух спектральных линий с общим средним уровнем, возникающих при переходах ¡^-к и к^г (рис. 1).

ж

Ж-

ж..

N,

■М

■ м

Рис. 1. Схема двух нижних энергетических уровней атома с общим средним уровнем

Отношение концентраций возбужденных атомов

м

N

I

¡к

А

кк

I,

А

V,,

(2)

определяется не только отношением вероятностей переходов и частот линий, но и отношением интенсивности этих двух линий. Таким образом, предоставляется возможность по известному соотношению интенсивностей линий произвести оценку концентрации атомов на верхних уровнях N1/ №. Воспользуемся соотношением [1], в котором сила осциллятора £-к однозначно связана с вероятностью перехода:

8 7Т е V, ,

ёг

—

2 2

к

/к

гк

ёк

где то, с - мировые константы, статистический вес =21+1, I - полное квантовое число, тогда (2) предстанет в виде

N м

I

>к ё,

Г V

V к!

А

ёк

V ^ 1к У

ёг ^к ёк

(3)

В общем случае заселенность верхних уровней может оказаться произвольной, но поскольку излучение, исходящее из замкнутой полости, имеет тенденцию к равновесности [5], что дает основание полагать равновесное заселение уровней ¡ и к , определяемое законом Больцмана

а выражение

м N

т =

ё ёк

И V,

е

квТ

¡к-

N

(4)

(5)

в N ,

позволит оценить температуру распределения газоразрядной плазмы по отношению концентраций выбранных спектральных линий.

¡к

Укк

т0а

к

В качестве примера используем спектр испускания излучателя цилиндрической формы, диаметра 8,4 см, с расположенной на оси бактерицидной ртутной лампой низкого давления, диаметр лампы 16 мм; ток лампы 0,306 А, Ра = 400^800 Па. Соотношение между интен-сивностями спектральных линий получено в [3], где исследовалось влияние на оптический спектр геометрического расположения лампы внутри полости.

Отбор спектральных линий был произведен из сильных спектральных линий спектра излучения, включая резонансную линию атома ртути. Была выбрана линия 435,8 нм пере-

3 3

хода 1 ^6 Р1 видимого триплета ртути, часто применяемая для возбуждения спектров

комбинационного рассеяния, которая относится к самому глубокому триплету ртути, а также

3 3

резонансная линия 253,65 нм перехода 6 Р1 ^ 6 Бо.. По прекращению доминирования этой линии в спектре плазмы низкого давления можно судить о выходе из существенно неравновесного состояния. Результаты оценки температуры распределения, проведенной по (35), представлены в Таблице 1 и на рис. 2, значения сил осцилляторов взяты из [6]; (§1=3; §к=3).

Таблица 1

Значения электронной температуры при различном геометрическом положении бактерицидной лампы в цилиндрической полости

Расстояние до апертуры, (мм) 23 Интенсивность 1ш (относит. ед) 41.65 Интенсивность I* (относит. ед) 42.82 Отношение концентраций N1 / № 0.069 Те, К 12 348

32 35.52 33.73 0.075 12 730

41 30.34 22.55 0.095 14 060

В табл. 1 указаны расстояния от поверхности лампы до апертуры, значение 32 мм соответствует положению лампы на оси полости

Изменение величины температуры распределения 12 348^14 060 К позволяет сделать предположение о влиянии геометрического расположения бактерицидной ртутной лампы внутри излучателя на электрокинетические параметры плазмы. Параллельное смещение лампы на 9 мм в сторону апертуры приводит к 3% падению температуры и 8% падению концентраций, а смещение в сторону, противоположную апертуре излучателя, вызывает рост температуры распределения на 10% и 26% росту № / №. В случае равновесного заселения уровней определение отношения концентраций осуществляется по (4).

42 ф У*

Рис. 2 Зависимость электронной температуры от разрядного тока люминесцентной ртутной лампы

низкого давления, диаметр лампы 16 мм: результаты измерений (сплошная кривая) [4]; х - экспериментальные данные [7]; 1-2-3 - полученные по (5) для бактерицидной ртутной лампы

Приведенная процедура позволяет производить оценку динамики электрокинетических параметров плазмы низкого давления по интенсивности спектральных линий (без учета самопоглощения). Близость электронных температур плазмы ламп малого диаметра, с одной стороны - бактерицидной, находящейся в замкнутой полости и люминесцентной лампы, с другой стороны, указывает на схожесть процессов взаимодействия отраженного излучения с газоразрядной плазмой низкого давления.

Библиографический список

1. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. - М ; Л. : ГИФ-МЛ, 1963. - 640 с.

2. Мосичев В.И. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Методы атомной спектроскопии. Атомно-эмиссионный анализ: справочник/ В.И. Мосичев, Г.И. Николаев, Б.Д.Калинин. - СПб.: Профессионал, 2006. - 716 с.

3. Горбунков В. И. Облучатель для фотогемотерапии на основе планковского излучателя дискретного спектра / Горбунков В. И., Соломонов В.И. // Избранные труды международного симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки. - М.: РАН, 2013. - Том 1. -Гл.3.- С. 32-51.

4. Цыганова Л.В. «Исследование, расчет и оптимизация параметров малогабаритных ламп специального назначения: дис. канд. техн. Наук / МЭИ. - М., 1991. URL: http://www.dissercat.com/content/razrabotka-i-issledovanie-tekhnologii-proizvodstva-kompaktnykh-lyuminestsentnykh-lamp-inform#ixzz37g0YOgtZ.

5. Gorbunkov V.I Arc low-pressure mercury lamp as a Planck radiator, results of the study / V.I. Gorbunkov, V.I. Solomonov. - Saarbrücken. Deutschland / Germany : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. - 120 P .

6. Корлисс Ч. Вероятности переходов и силы осцилляторов 70 элементов / Ч. Кор-лисс, У. Бозман / Пер. с англ. О.Н. Митропольской. - М.: Мир, 1969. - 562с.

7. Znu S.L., Zhang B.H. Positive Column Characteristics of Small Diameter. 3 Int. conf. Tuluse. - 1983, April. - P. 1-12.