Введение.
2
Содержание
5
Глава 1, Обзор литературы._______________________________________ #
1.1. Влияние УФ излучение на живые организмы.___________________8
1.2. Характеристики газоразрядных источников УФ излучения.______9
1.3. Ртутный разряд низкого давления как источник УФ излучения. 14
1.3.1. Процессы возбуждения и релаксации атомов ртути в разряде. 14
1.3.2. Особенности разряда низкого давления в смеси паров ртути и инертного газа. ___________________________________________20
1.3.3. Влияние модуляции тока на параметры разряда в парах ртути и инертного газа.____________________________________________25
1.4. Импульсно-периодический разряд в виде волны ионизации._ 28
1.4.1. Введение_________________________________________________28
1.4.2. История исследований высокоскоростных волн ионизации 28
1.4.3. Особенности формирования и распространения ВВИ. _____29
1.4.4. Применение разряда в виде ВВИ. _________________________31
1.5. Особенности разработки источников излучения высокой мощности ; ___________________________________________________ 33
1.5.1. Положительный столб при повышсннрй мощности разряда 33
1.5.2. Применение амальгамы в источниках УФ излучения низкого давления__________________________________________________35
1.5.3. Приэлектродные процессы и электроды разрядных источников излучения низкого давления________________________________39
1.6. Выводы______________________________________________________42
Глава 2. Экспериментальные установки и методики измерений. 44
2.1 Экспериментальные установки___________________________________44
2.1.1. Экспериментальная установка для исследования характеристик разряда низкого давления в смеси паров ртути и инертных газов на переменном токе.__________________________________________44
2.1.3. Экспериментальная установка для исследования наносекундного импульсно-периодического разряда в смеси ^-Аг. ___________49
2.2. Методики измерений___________________________________________52
2.2.1. Измерение электрических параметров разряда______________52
2.2.2. Измерение относительного спектрального распределения излучения_________________________________________________59
2.2.3. Измерение абсолютной мощности УФ излучения______________62
2.2.4. Измерение температуры электрода_________________________69
2.2.5. Измерение тока термоэмиссии катода._____________________72
2.2.6. Методика отбраковки стартеров___________________________74
2.2.1. Методика измерения давления насыщенных паров ртути над амальгамой._________________________________________________76
Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение_______________ 79
3.1 Электрические и излучательные параметры разряда низкого давления от тока разряда и давления паров ртути при средней мощности разряда менее 120 Вт._____________________________________79
3.1.1. Характеристики ртутного разряда низкого давления на переменном токе с частотой 50 Гц мощностью менее 120 Вт.____79
3.1.2. Излучение импульсно-периодического разряда наносекундной длительности в смесях паров ртути и аргона._________________85
3.2. Давление насыщенных паров ртути над амальгамами различных составов от температуры._________________________________________91
3.3 Конструкции используемых катодов и измерение тока термоэмиссии катодов.______________________________________________94
3.3.1. Конструкция катода_______________________________________94
3.3.2. Ток термоэмиссии мощного катода. ________________________98
3.3. Электрические и излучательные характеристики разряда повышенной мощности на промышленной частоте._____________________99
3.3.1. Зависимость параметров разряда от давления паров ртути 99
3.3.2. Зависимость параметров разряда от давления инертного газа. 104
3.3.3. Зависимости параметров разряда от состава смеси инертных газов. ___________________________________________________________107
3.3.4. Параметры амальгамной бактерицидной лампы мощностью 180 Вт 108
Параметры партии ламп_______________________________________ 109
Зажигание амальгамной бактерицидной лампы в стартерной
схеме________________________________________________________ 113
Работа лампы в макете установки по обеззараживанию воды_ 116
3.4. Особенности разряда низкого давления при повышенной частоте ________________________________________________________________117
3.4.1. Изменение формы излучения, тока и напряжения разряда повышенной частоты_________________________________________118
3.4.2. Влияние частоты разряда на зависимость излучения амальгамной лампы от ее температуры.._________________' __________119
3.4.2. Изменение КПД разряда____________________________________120
3.5. Обсуждение результатов. _____________________________________121
3.5.1. Влияние плотности тока разряда и состава рабочей среды на излучение при переходе 63Р1-»61$о атома ртути._____________121
3.5.2. Особенности разряда, возбуждаемого наносекундными импульсами.________________________________________________126
4
3.5.3. Использование разряда низкого давления как источника бактерицидного излучения. _____________________________________128
Заключение________________________________________________________ 130
Литература________________________________________________________ 133
5
Введение.
Ультрафиолетовое излучение находит все более широкое применение в различных областях техники. Оно используется в литографии и при проведении фотохимических реакций, для загара и для обеззараживания воды и воздуха. Помимо этого, УФ излучение в люминесцентных лампах, широко используемых для освещения, переводится в видимый свет.
Электрический разряд в парах ртути более ста лет используется как источник излучения. За прошедшие 50 лет выполнено большое количество экспериментальных и теоретических работ для определения оптимальных условий протекания ртутного разряда и улучшения его характеристик, как источника излучения. Благодаря проведенным исследованиям получили широкое распространение люминесцентные лампы, которые обладают высоким КПД и большим сроком службы, а также ртутные лампы низкого и высокого давления для получения УФ излучения.
УФ излучение ртутного разряда находит все более широкое применение для обеззараживания воды. Высокая эффективность преобразования электрической энергии в бактерицидное излучение с длиной волны 253.7 нм и большой срок службы позволяют использовать ртутные трубчатые лампы низкого давления в качестве источника ультрафиолета для обеззараживания воды. Повышение мощности ультрафиолетового излучения на единицу длины лампы позволяет уменьшить габариты и стоимость установок для обеззараживания воды. Применение ртутных ламп высокого давления для обеззараживания воды ограничено из-за их меньшей, по сравнению с ртутными лампами низкого давления, эффективности преобразования энергии разряда в бактерицидное излучение, меньшего срока службы ламп и сильного нагрева, вследствие которого чехлы ламп покрываются налетом отложений, снижающим дозу облучения обрабатываемой воды. В настоящее время нет достаточной номенклатуры бактерицидных ламп низкого давления повышенной мощности. В России не производятся бактерицидные лампы низкого давления мощностью более 100 Вт.
В последнее время наметились две тенденции в развитии источников излучения на основе ртутного разряда низкого давления. Во-первых, все большее распространение получают компактные люминесцентные ламп, имеющие небольшую мощность, малый размер и большой срок службы. Во-вторых, для специальных применений, таких как обеззараживание воды, делаются попытки увеличить мощность и КПД излучателей низкого давления. В этом случае повышение мощность разряда приводит к появлению ряда факторов, препятствующих широкому распространению таких источников: снижение КПД разряда из-за перегрева, снижение срока службы по сравнению с излучателями стандартной мощности, усложненные конструкции и т.п. В настоящее время наблюдается недостаток экспериментальных данных для разряда высокой мощности.
6
Для зажигания и поддержания разряда в ртутных излучателях низкого давления необходимо специальное оборудование: Пуско-Регулирующие Аппараты - ИРА. В качестве балласта для ртутного разряда низкого давления получили широкое распространение электромагнитные балласты - дроссели. Благодаря прогрессу в силовой микроэлектронике, за последние 10-15 лет стало возможным использовать в качестве ПРА специально разработанные электронные схемы, что позволяет отказаться от использования массивных металлоемких дросселей. Такие электронные ПРА (ЭПРА) позволяют использовать для питания ламп частоты выше частоты питающей сети. Использование ЭПРА с выходным напряжением частотой десятки килогерц может также существенно повлиять на характеристики разряда, увеличить его КПД и срок службы ламп.
В настоящей работе проведено исследование разряда низкого давления в смеси паров ртути и инертных газов при повышенной мощности разряда. Исследуются параметры такого разряда при питании током промышленной частоты, током частотой несколько десятков кГц и при возбуждении разряда наносекундными импульсами. При этом большое внимание уделено возможности практического использования получаемых результатов. Для возможности быстрого использования получаемых результатов на практике экспериментальные трубки и условия экспериментов, но возможности, маю отличаются от конструкции ламп и условий их эксплуатации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе, обзоре литературы, рассматриваются особенности различных источников ультрафиолета и бактерицидного действия излучения этих источников. Показывается, что именно ртутный разряд низкого давления обладает высоким КПД, а лампы на его основе имеют длительный срок эксплуатации. Показывается, что КПД разряда может повышаться при переходе к импульсно-периодическому разряду. Рассматриваются особенности, имеющие место при увеличении мощности разряда низкого давления в смесях паров ртути и инертных газов, а также конструктивные особенности излучателей повышенной мощности.
Во второй главе описываются экспериментальные установки и методики измерения, используемые в настоящей работе. Созданные экспериментальные установки позволяют осуществить комплекс исследования ртутного разряда низкого давления, проводить измерения электрический и излучательных параметров разряда, как при питании частотой 50 Гц, так и при переходе к питанию на частоте несколько десятков кГц и для наносекундного импульсно-периодического разряда. Экспериментальная установка позволяет изменять давление паров ртути в разряда путем поддержания температуры холодной точки разрядной трубки, так при помощи амальгам, оптимальный состав которых определяется по зависимостям давления паров ртути над ними от температуры. Большое внимание уделено корректному измерению абсолютных величин УФ
7
излучения плазмы разряда и калибровке применяющихся для этого средств измерений.
Полученные результаты и их обсуждение приводятся в третьей главе. Получаются и анализируются результаты для ртутного разряда низкого давления в различных смесях инертных газов при варьировании разрядного тока, его частоты, а также для импульсно-периодического наносекундного разряда. Также, получены зависимости давления паров ртути над амальгамами, которые используются в экспериментах. На основе экспериментальных результатов разработаны конструкция и способы питания бактерицидных ламп и приводятся результаты измерения партии таких ламп.
Заключение содержит основные выводы диссертационной работы.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах 142-154.
8
Глава 1. Обзор литературы.
1.1. Влияние УФ излучение на живые организмы.
Ультрафиолетовым излучением называется излучение с длиной волны 200 нм<Л< 400 нм. Излучение с длиной волны менее 200 нм называется вакуумным ультрафиолетом (ВУФ). Ультрафиолетовое излучение может порождаться как телами, нагретыми до высокой температуры, так и испускаться возбужденными атомами и молекулами.
Кванты УФ излучения, обладающие большой энергией способны изменять химическую структуру отдельных клеток и тканей живых организмов. Установлено, что УФ излучение с длинами волн от 280 до 400 нм в определенных дозах оказывает полезное действие на организм человека, животных и птиц. Это благоприятное действие такого излучения называется витальным действием [1]. УФ излучение в диапазоне от 200 до 300 нм обладает бактерицидным действием. Кривые относительное влияния излучения в зависимости от длины волны представлены на Рис. 1.1
Рис. 1.1. Влияние УФ излучения с различной длиной волны на живые организмы[1] 1 - бактерицидная кривая, 2 - витальная,
3 - антирахитная, 4 - загарлая.
УФ облучение летально для большинства водных бактерий и вирусов. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и др. Применение УФ излучения позволяет добиться более эффективного обеззараживания, чем хлорирование, особенно в отношении вирусов. [2].
В работах по исследованию воздействия УФ на живые организмы был обнаружен оптимум длин волн для уничтожения бактерий находящийся в области 250-266 нм. (Рис. 1.1) Понимание механизма УФ обеззараживания было достигнуто в 60-х годах на основе физического воздействия излучения на молекулы ДНК. Главную роль при этом играет образование тиминовых и
9
пиримидиновых димеров, ответственных за летальное повреждение ДНК, а также вызывающие после облучения мутации. Кроме того, при УФ облучении образуются межнитевые сшивки и однонитевые разрывы молекул ДНК. Энергии одного кванта коротковолнового УФ недостаточно для разрыва цепи или сшивки, поэтому эти процессы являются ступенчатыми. Отмечается повреждение РНК в бактериях, в результате чего происходит замедление синтеза. При воздействии УФ на белки наиболее вероятным являются повреждение клеточных мембран.
Основным преимуществом УФ технологии обеззараживания по сравнению с окислительными (хлорирование, озонирование) - это отсутствие каких-либо продуктов “последействия” при высоком бактерицидном эффекте [3]. Метод обеззараживания ультрафиолетовым излучением высокоэффективный экологически безопасный метод, не изменяющий физико-химический состав воды. Многочисленные исследования показали отсутствие вредных эффектов после облучения воды даже при дозах намного превышавших практически необходимые. В мировой практике требования на минимальную эффективную дозу облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Как правило, этот норматив определяется в зависимости эпидемиологической опасности данного региона. В Соединенных Штатах, к примеру, в качестве норматива в ряде штатов используется доза в
тт 2 2
16 мДж/см , а в некоторых штатах эта величина доходит до 38 мДж/см . В Германии величина дозы облучения регламентирована не менее 40 мДж/см2.,
Л Л
в Норвегии не менее 16 мДж/см , в Австрии не менее 30 мДж/см .
1.2. Характеристики газоразрядных источников УФ излучения.
Основным источником УФ излучения является электрический разряд в газах. История исследований электрического разряда начинается с того времени, когда человек сам смог получать электричество. В 1750 году Ф. Хаксби впервые получил тлеющий разряд путем создания электростатического разряда по поверхности стеклянной трубки, из которой он удалил воздух при помощи вакуумных насосов[4]. В 1831 - 1835 гг. Фарадей исследовал тлеющий разряд в трубках, откаченных до р~ 1 торр и источником напряжения до 1 кВ [5]. В 1850 г. Г. Гейслер открыл, что разряд в газе при низком давлении дает излучение со спектром, характерным для данного газа. Спустя столетие П.Купер-Хюит выпускает парортутные лампы, дающие зеленовато - голубой свет в видимой области спектра ртути. Даже эти первые лампы со ртутным разрядом, с неверной цветопередачей и низким кпд, были эффективней ламп с угольной нитью накаливания.
В настоящее время разработано большое число разрядных источников УФ излучения. Они различаются длиной волны излучения, мощностью, КПД и сроком службы. Рассмотрим их основные особенности.
10
Так как энергия кванта УФ излучения превышает екн =Иу = к-~>3 эВ,
А
то такое излучение, как правило, порождается при электронных переходах излучающих атомов и молекул.
С точки зрения КПД преобразования электрической энергии в УФ излучение привлекателен разряд в атомарных газах. Отсутствие колебательной и вращательной степеней свободы делает невозможным сброс энергии в эти степени свободы, тем самым способствуя переходу энергии в излучение возбуждению атомных уровней.
Рассмотрим некоторые характеристики разрядов в атомарных газах и их смесях.
Спектр излучения разряда атомарного газа при низких давлениях и малых плотностях тока состоит из отдельных узких линий, присущих конкретному атому. В этих условиях полное излучение является суперпозицией излучения множества возбуждаемых в разряде атомов. По мере увеличения давления газа и увеличения плотности тока все большее значение начинает приобретать взаимодействие возбужденных атомов между собой. Появляется излучение, обусловленное свободными электронами, и рекомбинационное излучение. Контур линий меняется, уширяясь за счет доплеровского и столкновительного уширения. Начиная с некоторого давления и плотности тока излучение отдельных спектральных линий становиться неотличимым на фоне непрерывного спектра излучения. Области давлений и плотностей тока, при которых происходит этот переход, зависят от рода газа. Так спектр излучения разряда в нарах ртути при давлении ~10атм и плотности тока 200 А/см2 еще имеет отчетливо выраженный линейчатый характер, в то время как излучение разряда в тяжелых инертных газах ( Аг, Кг, Хе ) уже при давлении ~1 атм и плотности тока -20 А/см2 имеет непрерывный спектр [6].
Укажем основные характеристики, достигнутые в настоящие время для источников излучения на благородных газах. Наиболее известные источники такого типа - это импульсные лампы - вспышки. Принцип работы таких излучателей состоит в следующем: мощный импульс тока энергией 0.1-4-50 кДж подается на разрядный промежуток. Длительность импульса обычно составляет от одной до тысяч микросекунд [7]. За время воздействия импульса на газ в сравнительно малом разрядном промежутке образуется плазма с высокой степенью ионизации канала. В принципе, в течении всего времени разряда, плазму можно рассматривать как равновесную. Следовательно, се излучение подчиняется закону черного тела и определяется температурой плазмы.
Этот тип разряда можно разделить на классы по частоте подаваемых импульсов. Общая тенденция следующая: чем мощнее подаваемые
импульсы, тем меньше частота. Спектр импульсных разрядов в благородных газах также зависит от мощности подаваемых импульсов. Чем мощнее подаваемый импульс, тем больше доля энергии излучается в УФ области
11
спектра. Для источников с частотой следования импульсов 0.03+0.3 Гц пиковая плотность мощности пиковая мощность излучения разряда в области 200+400 нм составляет 100+106 Вт, доля излучения в обл. 200+400 нм от излучения в области 200+1000 нм 5+10%. Для излучателей с частотой 3+ 30 Гц эти параметры составляют 104+5-105 Вт и ~10%, соответственно.
Энергетический кпд импульсных разрядов в благородных газах максимален для ксенона. Для характерных параметров разряда [8, 9]: давление газа 300+600 торр; длительность импульса сотни микросекунд; Е=40+150 В/см, существует оптимальный кпд от удельной электрической мощности. Удельная мощность оптимального режима «0.5 МВт/см3.
На Рис. 1.2, представлены обработка [10] данных, приведенных в [7]. На графике объединены данные для различных параметров разряда. Таким образом, максимальный кпд в дальней УФ области спектра составляет -8 % при среднем кпд -1%.
Рис. 1.2 КПД импульсных разрядов на благородных газах, в различных
спектральных интервалах.
Удельная мощность излучения таких разрядов в различных спектральных диапазонах, в зависимости от удельной вложенной мощности представлена на Рис. 1.3. Из этого графика видно, что мощность излучения в УФ области повышается с ростом прикладываемой мощности.
101
10°
10'1
10'2
1(P
10’4
0.01 0,1 1 10
Рис. 1.3 Удельная мощность излучения импульсных разрядов па благородных газах в различных спектральных интервалах в зависимости от удельного
энерговклада.
Повышение доли энергии, излучаемой в УФ области спектра может быть достигнуто увеличением температуры плазмы, так как излучение ведет себя практически, как излучение абсолютно черного тела, и максимальное излучение связано с температурой газа законом Вина:
Таким образом, для такого типа разряда дальнейшее увеличение доли УФ излучения связано с повышением температуры плазмы, что очень сильно ограничено экспериментальными трудностями, связанными с термостойкими свойствами применяемых материалов.
Близким по физической сути излучательных процессов является ВЧ разряд в благородных газах. Детальному исследованию мощного ВЧ разряда в благородных газах при высоких давлениях посвящена работа Ровииского P.E. [11]. Автором было получено, что мощность излучения индукционного разряда (рабочая частота 11.5 МГц, выходная мощность 22 кВт) линейно зависит от приложенной мощности. С ростом давления доля излучения возрастает, излучение измерялось в окне прозрачности воды. Было получено, при давлении ксенона 40 торр в тепло уходит ~95%, в излучение ~5% мощности разряда, при 1 агм. - соответственно 63% и 37%, а при 9 атм. - 41 % и 59%, т.е. в последнем случае лучистые потери заметно превышают тепловые. Для аргона качественно картина та же, что и в случае ксенона, но аргон излучает заметно меньше.
В отличие от описанных типов разряда, излучение эксимерных молекул обладает ярко выраженной полосатой структурой излучения. КПД преобразования энергии разряда в излучение эксимерных молекул может превышать 10%. Ряд работ посвящен исследованию излучения эксимерных
12
- Київ+380960830922