CC BY
72
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
уДК 535 542.8 В. И. ГОРБУНКОВ
Г. С. ГАРИБЯН К. Р. САЙФУТДИНОВ В. В. СЕДЕЛЬНИКОВ
Омский государственный технический университет Омское моторостроительное объединение им. П. И. Баранова
ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ФОТОРЕАКТОРА
Приведены результаты исследования излучателя в виде бактерицидной ртутной лампы низкого давления, находящейся в замкнутой непрозрачной полости и входящей в систему проточного фотореактора, работающего по принципу падающей пленки. Показано, что в каждом конкретном случае использования излучателя в составе фотореактора необходимо проводить дополнительные исследования разрядных и излучательных характеристик с учетом коэффициента экстинкции реагента.
§ Ключевые слова: фотохимический реактор, эксимерные и бактерицидные
ртутные лампы.
Введение. Успешное развитие фотохимии орга- (физическую) фотохимию и других. Высокая
нических соединений привело к появлению цело- квантовая эффективность оптического излучения
го ряда научных направлений, включая фотонику позволяет методами фотохимии получить веще-
многоатомных органических молекул, фотохи- ства, которые невозможно получить иными ме-
мию малых молекул, а также механистическую тодами.
Рис. 1. Работающие на принципе падающей пленки фотохимические реакторы, в которых используются бактерицидные ртутные лампы с внутренней стенкой (а) и без внутренней стенки (б) [1]
Применение фотореакторов для решения задач, связанных с загрязнением окружающей среды, защитой биосферы от дефолиантов, порожденных современной цивилизацией как результатом хозяйственной деятельности человека, является приоритетной задачей современности.
В классических фотореакторах может происходить осаждение реакционных продуктов на стенках самих реакторов. Образующиеся при этом пленки или слои фотопродуктов поглощают и рассеивают свет, что существенно уменьшает выход фотохимической реакции [1]. Этого недостатка лишен реактор, построенный на принципе падающей пленки (рис. 1).
Раствор реагентов подается в такой реактор сверху, а затем тонкая пленка жидкости под действием силы тяжести падает вниз вдоль полых стенок сосуда из кварца (рис. 1а), либо соскальзывает вниз по внутренней поверхности внешней стенки (рис. 1б). Внутри сосуда устанавливается ртутная лампа низкого или среднего давления, которая обеспечивает равномерное облучение падающей пленки. Концентрация активного вещества выбирается такой величины, чтобы в тонком слое происходило полное поглощение.
В последнее время распространение получила разновидность реакторов, построенная на принципе падающей пленки — микроструктурные реакторы, известные как микроканальные Они стали широко применяться и в фотохимических исследованиях [2].
Фотохимия в микрореакторах вызывает растущий интерес и является полезным дополнением к традиционным фотохимическим экспериментам. Важным для химии высоких энергий является то, что в систему вводится энергия, существенно превышающая тепловую. Поэтому в системах фотореакторов в качестве облучателей используются бактерицидные ртутные лампы среднего и низкого давления, имеющие высокую квантовую эффективность ^ ~ 4,67эВ.
Предварительные сведения. Прежде чем отметить особенность работы газоразрядных ламп, помещенных в замкнутую светонепроницаемую полость в качестве облучателя с диффузно отражающими внутренними стенками, рассмотрим параметры дугового разряда ртутной лампы открытого типа.
Это бактерицидная ртутная лампа, какую обычно используют при фотогемотерапии, бактерицидной обработки воды и стерилизации помещений.
Колба лампы промышленного изготовления ДРБ 8 (ДБ8М) представляет собой кварцевую трубку с толщиной стенки 1 мм, диаметром 16 мм и длиной 280 мм с межэлектродным расстоянием 235 мм. Колба наполнена буферным газом аргоном под давлением 400 — 800 Па; давление паров ртути при рабочей температуре стенок лампы 322 — 350 К составляет 0,8 — 0,9 Па. Рассматривается стандартная дроссельная система питания лампы. При прохождении переменного тока через нулевую точку происходит остывание электродов и частичная деионизация плазмы в столбе разряда. При этом на электродах ламп возникают пики напряжения перезажигания разряда (300 — 500 В). Небольшие пики перезажигания связаны с восстановлением плазмы в столбе и образованием плазмы в при-электродных частях разряда [3]. При сильном остывании электродов пики напряжения перезажигания возрастают, так как требуется дополнительная энергия на местное нагревание электрода в области катодных пятен [3, 4]. Тем не менее даже при наличии пиков перезажигания стационарный режим горения разряда устанавливается за время около 0,7 мс << 1//=20 мс [3]. Поэтому в ряде работ, например [5], не делается резкого различия между излучением ламп, питаемых постоянным и переменным токами.
При рассмотрении влияния температуры колбы стандартной ртутной лампы на изменение свойств лампы, содержащей в качестве инертного газа аргон, оказалось, что за счет повышения температуры стенки Тс ее колбы с 308 до 323 К давление насыщенных паров ртути (Р и 3,00 Па) увеличивается всего на 35 %, но остается практически на два порядка меньше давления аргона (рД =200 — 400 Па). При этих давлениях концентрация аргона МДг =(1—2)х1017см-3 намного превосходит концентрацию атомов ртути =3^1014 см-3. Тем самым аргон оказывает определяющее влияние на теплопроводность плазмы, поэтому при оценке газовой температуры разряда необходимо учитывать теплопроводность аргона. А роль ртути, как малой добавки с низким потенциалом ионизации, сводится к формированию концентрации пе и температуры Те электронов. Как можно убедиться из кривой Па-шена (рис. 2, 1Па = 133,32 Торр), при таком давлении аргон имеет наименьшее напряжение пробоя, поэтому аргоновая среда лампы способствует легкому зажиганию разряда.
Вместе с тем взаимодействие электрона с атомами инертных газов подтверждает эффективность их взаимодействия. Ход кривой общего сечения у тяжелых инертных газов (рис. 3) обнаруживает при скоростях се < 1 эВ уменьшение эффективного сечения в десятки раз по сравнению с более высокими скоростями. При самых малых скоростях сечение опять возрастает.
Существование такого глубокого минимума эффективного сечения (при с ~ 700 К) подтверждает высокую степень прозрачности инертных газов для медленных электронов, это позволяет утверждать, что аргон оказывает определяющее влияние на дрейфовую скорость Уа электронов, а также ионов.
Сочетание свойств аргона, как инертного газа и паров ртути, имеющих низкий потенциал ионизации, привело к появлению удачной конструкции бактерицидной ртутной лампы низкого давления.
В бактерицидных лампах низкого давления паров ртути используется аномально тлеющий
ЙГ1 z5 6 в t г i б a id 5 е в w
Рис. 2. Кривые Пашена для некоторых газов [6]
. ш
8 113* S S 7 в 3 Ш
Рис. 3. Общее сечение атомов некоторых благородных газов: неона, аргона, криптона и ксенона [6]
или дуговой разряд. В этих разрядах, независимо от питающего напряжения, формируется неравновесная низкотемпературная плазма с концентрацией электронов ne < 1013 см-1 [3, 5]. В ней только кинетические скорости частиц удовлетворительно соответствуют Максвелловским распределениям, но с сильно отличающимися температурами электронов T =7 500-11 600 K и атомов T <1000 К,
г e g
а заселенности возбужденных уровней атомов ртути не подчиняются больцмановскому распределению. В диапазоне спектра излучения от 200 до 600 нм этих ламп доминирует резонансная линия атома ртути при X = 253,65 нм, в которой сосредоточено до 80 % излучаемой энергии [3, 5, 7].
Размещение излучателя в замкнутой непрозрачной полости приводит к изменению характеристик излучателя открытого типа из-за воздействия отраженного излучения на плазму лампы. Для выяснения роли отражения от пленки реагента в фо-
тореакторе на параметры излучателя необходимо проводить дополнительные исследования. Поэтому представляет интерес рассмотрение влияния отраженного оптического излучения на плазму дугового разряда низкого давления на простой модели излучателя закрытого типа. Модель представляет собой полость цилиндрической формы, выполненную из непрозрачного материала. Поверхность полости может легко принимать различные отражающие свойства: для создания светопоглощающей полости внутренняя поверхность ее покрывается мелкодисперсной сажей, для получения эффективного отражения — химически инертной алюминиевой оксидной пленкой, что соответствует предельным коэффициентам отражения от (0,1-0,15) до (0,85-0,90). Высокое поглощение оптического излучения в первом случае позволяет считать его свойства близкими к излучению лампы в свободном пространстве с той особенностью, что температура центральной части колбы лампы увеличилась приблизительно на 5 0С по сравнению с открытой лампой. На рис. 4 приведены спектры излучения аномально-тлеющего разряда лампы, помещенной в светопоглощающую полость и в полость с диф-фузно отражающей внутренней поверхностью.
В спектре излучения (рис. 4а) доминирует резонансная линия атома ртути при X = 253,65 нм, в то время, как в спектре рис. 4b нет явной доминанты резонансной линии атома ртути и возросли относительные интенсивности линий других оптических переходов атома ртути. Интенсивность линий на рис. 4b может быть приближена к равновесному излучению при наличии больцмановского распределения населенности энергетических уровней излучающих атомов [8], что может подтвердить высокая оптическая плотность среды.
Существенной отличительной особенностью излучения лампы, находящейся в полости с диффузно отражающими стенками, является сильное поглощение (пленение) всех спектральных линий. Оно проявляется в уплощении и уширении вершин контуров и приводит к увеличению эффективного радиационного времени жизни излучательных уровней [9]. При существенном самопоглощении света возрастает оптическая плотность. Оценка оптической плотности D=lg (1/1), (где I/I — отношение интенсивности линии в свободном пространстве и в замкнутой полости), может быть выполнена на основе измерения кратности «ослабления» интенсивности спектральной линии излучения — интенсивности в центре контуров обращенной (рис. 4b) и не искаженной (рис. 4а) спектральной линии, соответственно. Оптическая плотность с учетом контура линии атома ртути X = 253,65 нм достигает D =5,04.
Результаты исследований. Исследования разрядных характеристик были проведены на основе фотографической регистрации поперечного сечения разряда бактерицидной ртутной лампы низкого давления, помещенной в замкнутую полость цилиндрической формы диаметром 84 мм (рис. 5).
Апертура (2) диаметром 17 мм, служащая для вывода излучения наружу, расположена напротив средней части газоразрядной лампы.
Регистрация поперечного сечения разряда бактерицидной лампы осуществлялась цифровой фотокамерой Panasonic DMC-FZ45 «Lumix» через зеленый светофильтр (2) и оптический коллиматор (3) с фокусным расстоянием 50 мм. Измерение сечения газового разряда проводилось с помощью
5<КМ 579,0
Рис. 4. Спектры излучения ртутной лампы, помещенной в светопоглощающую полость (а) и в полость с диффузно отражающей поверхностью (Ь). Токи лампы I =194 мА. Для наглядности интенсивность резонансной линии атома ртути при Х= 253,65 нм (а) уменьшена в 10 раз
Рис. 5. Схема для регистрации поперечного сечения разряда 1 — диффузно отражающая полость; 2 — светофильтр, перекрывающий апертуру; 3 — линза коллиматора; 4 — газовый разряд лампы
Рис. 6. Фотография свечения излучения лампы, выполненная через апертуру полости. Относительно верхней границы колбы определена ось разряда (1), (2) — граница разряда; искомый радиус разряда равен 0,5 см
лимба, штрихи которого нанесены через 1 мм на непрозрачной основе (рис. 5).
На снимке хорошо видна внутренняя и внешняя стенка колбы лампы толщиной 1 мм; относительно внешней стенки колбы определена ось разряда, поперечное сечение разряда = 0,79 см2. Ток лампы ¡ь = 306 шЛ при падении напряжения иь = 42,5 В.
Согласно приведенной к концентрации атомов аргона МД1 напряженность электрического поля и/(!ех.МДХ0,7-2,0)х10-16 Вхсм2 дрейфовая скорость электрона в аргоне составляет Уй=(2,5 — 3,5)*104 м/с [10]. Найденная плотность тока ]=1/3=епУ = 0,4 А/см2 позволила определить электронную концентрацию пе~(0,6 — 2)*1012 см-3, много меньшую, чем концентрация атомов ртути N =3 • 1014 см-3.
Температура стенки лампы Тс в полости имеет температуру прогретой лампы 49 0С (322 К), которая со временем достигает стационарной температуры 77 0С (350 К). С ростом температуры повышается давление насыщенных паров ртути (рНг«4 Па) и инертного газа аргона, оставаясь в пределах (рДи100 — 300 Па). Газовая температура ТХ103 К меняется с изменением концентрации электронов и тока лампы.
Оценка максимальной газовой температуры на оси разряда была проведена на основе баланса
мощности электрической энергии Р = и■ I, вводимой в плазму и отводимой из неё за счёт теплового потока, с учетом теплопроводности аргона ХД1, равного 0,034 Вт/(м • К) при Т = 700 К [11]:
* - 1иТ ~ Т
у - ТТ" иИАэ-
аг э
(1)
внешняя поверхность
где 5 = 2пRL и 72 — см2
р о
плазмы.
Оценка (4) позво;шет опретелить максимальную газовую температуру на о си разртда
у-К
+ 7.'
(2)
которую можно суита-ь равной ионнои температуре Т и Т.
1 е •
Найденное значениа ионной температуры, а также приблизитил-ное равенство электронной и ионной концентрации пе = п., исходя из предположения квазинейтраиьности элемента пространства, занимаемого плазму й, псзволяет оценить величину дебаевского радиуси экранирования
птт
Наоо к7о + р,Т1)
12
(3)
67
=
у
где пе, е — концентрация и заряд электронов (в см-3 и СГСЕ), п,, е. — концентрация и заряд для ионов, Те, Т. — температуры электронов и ионов в кельвинах; кв = 1,38*10-16 эрг/К — постоянная Больцмана. Исходя из экспериментально найденных значений электро нно й концентрации пе~(0,6 — 2)х1012 см-3, ионной температуры Т. = 600 К, при Те=(9200 К), величина дебаевского радиуса экранирования тв = {2 ,1 1 — й 16 )*10-4 см, что совпадает с данными для газ оразрядных трубок [12].
Важным параметром среды является число частиц в сфере дебаев ского радиуса:
4ч з^о
ни к —ввЬн1 ■ 3 1
Следует отметипь, что 15се типы зарядов вносят положительный вклад в Дебаевский радиус вне зависимости от их знака; числн пс характеризует отношение средней кинетичеспой энн]Э]гии (ЕкП) частиц к средней энергии их кулоновского взаимодействия (£0):
Eq
Для рассматриваемой плазмы nD -40,5 достаточно велико, по отношению к электролитам, для которых это число nD -10-4 мало, что позволяет считать применимым к рассматриваемому газовому разряду методы кинетической теории.
Выводы. Необходимо иметь в виду, что характеристики излучателя в замкнутой полости фотореактора меняются и зависят от оптических свойств реагента. На примере бактерицидной ртутной лампы показано, что при помещении ее в диффузно отражающую полость меняются излучательные характеристики плазмы газового разряда низкого давления, а именно: резонансная линия атома ртути при X = 253,65 нм теряет доминирующую роль, отмечается видоизменение всех спектральных линий, возрастает оптическая плотность. Показано, что методы кинетической теории газов допустимы для описания взаимодействия плазмы газового разряда с облучаемым веществом реагентов.
Библиографический список
1. Соколова, И. В. Фотореакторы : учеб.-метод. пособие / И. В. Соколова, О. Н. Чайковская, Н. О. Вершинин. — Томск : Изд-во Томского гос. ун-та, 2014. — 68 с.
2. Coyle, E. E. Microphotochemistry: photochemistry in microstructured reactors. The new photochemistry of the future? / E. E. Coyle, M. Oelgemeoller // Photochem. Photobiol. Sci. — 2008. - V. 7. - P. 1313-1322.
3. Рохлин, Г. Н. Разрядные источники света / Г. Н. Рохлин. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — 720 с.
4. Федоренко, А. С. Люминесцентные лампы (расчёт, моделирование, экспериментальные исследования, создание конструкторских и технологических решений) / А. С. Федоренко. - Саранск : Изд-во СВМО, 2009. - 334 с.
5. Биберман, Л. М. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы / Л. М. Биберман, В. С. Воробьев, И. Т. Якубов. - М. : Наука, 1982. - 376 с.
6. Грановский, В. Л. Электрический ток в газе / В. Л. Грановский // Общие вопросы электродинамики газов. - М., Л. : ГИТТЛ, 1952. - Т. 1. - 432 с.
7. Уэймаус, Д. Газоразрядные лампы / Д. Уэймаус ; пер. под ред. Г. Н. Рохлина. - М. : Энергия, 1977. - 345 с.
8. Фриш, С. Э. Оптические спектры атомов / С. Э. Фриш. -М., Л. : ГИФ-МЛ, 1963. - 640с.
9. Gorbunkov, V. I. Arc low-pressure mercury lamp as a Planck radiator, results of the study / V. I. Gorbunkov, V. I. Solomonov. -Saarbrücken : LAP Lambert Academic Publishing, 2012. - 120 P. -ISBN 978-3-8465-3400.
10. Смирнов, Б. М. Моделирование газоразрядной плазмы / Б. М. Смирнов // Успехи физических наук. - 2009. - Т. 179. -C. 591-604.
11. Физические величины : ™рав. / А. П. Бабичев [и др.]. -М. : Энергоатомиздат, 1991. - С 1232.
12. Chapter 19. The Particle Kinetics of Plasmas [Электронный ресурс]. - Режим доступа : www.cns.gatech.edu/PHYS-4421/caltech136/0019.3.ps (дата обращения: 19.12.1015).
ГОРБУНКОВ Владимир Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника», научный руководитель лаборатории «Фотоника и спектроскопия газового разряда» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ГАРИБЯН Гарегин Сережович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий секцией «Машины и технология литейного производства» кафедры машиностроения и материаловедения ОмГТУ.
САЙФУТДИНОВ Константин Рустемович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент секции «Информационно-измерительная техника» кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики ОмГТУ.
СЕДЕЛЬНИКОВ Владимир Васильевич, кандидат технических наук, ведущий инженер Омского моторостроительного объединения им. П. И. Баранова. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 25.01.2016 г. © В. И. Горбунков, Г. С. Гарибян, К. Р. Сайфутдинов, В. В. Седельников
3/2
E
n
D
