Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа

Получение низкотемпературной плазмы посредством применения индукционного способа генерации газового разряда является одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности и срока службы газоразрядных устройств и генераторов низкотемпературной плазмы, а также получения сверхчистой плазмы (в том числе и в атмосфере агрессивных плазмообразующих веществ). Актуальность данной задачи обусловлена активным применением низкотемпературной плазмы во многих отраслях науки и промышленности: в микроэлектронике и полупроводниковой промышленности, в плазмохимии, при утилизации токсичных отходов, в коммунальном хозяйстве (освещение), для медицинских целей и т. д. В частности, наиболее распространенным и массовым способом применения низкотемпературной плазмы являются газоразрядные источники света, используемые как для освещения, так и во множестве других сфер (УФ обеззараживание воды и воздуха, фотохимический синтез и обработка поверхности материалов, научные исследования и т. д.) Таким образом, результаты исследований в области индуктивно-связанных газовых разрядов имеют важное значение для решения как фундаментальных, так и прикладных проблем приложений физики низкотемпературной плазмы.

Основным преимуществом индукционного принципа генерации плазмы перед «традиционным» — дуговым способом является отсутствие разрушающихся узловэлектродов, благодаря чему срок службы газоразрядного устройства возрастает более чем на порядок. Особенно остро проблема повышения срока службы проявляется при эксплуатации мощных газоразрядных устройств (плазмотронов и газоразрядных ламп), поскольку срок службы электродов в условиях больших тепловых нагрузок и высоких плотностей тока на поверхности электрода исчисляется всего лишь сотнями часов. Помимо существенного увеличения срока службы, использование индукционного принципа генерации разряда открывает новые возможности для получения сверхчистой плазмы, в том числе и агрессивных веществ и соединений, что особенно важно для полупроводниковой промышленности, а также при плазмохимической утилизации токсических отходов.

Существует несколько различных способов генерации индукционного разряда, различающихся как по конструкции индуктора и газоразрядной камеры, так и по частотному диапазону генерации разряда. Высокочастотные индукционные разряды (ВЧ-Н разряды), генерируемые на частотах —1—10 МГц и выше, очень хорошо изучены, подробно описаны в литературе и широко применяются в настоящее время на практике. В отличие от ВЧ-Н разрядов, низкочастотные индукционные разряды трансформаторного типа (НИРТТ, в иностранной литературе используется термин Transformer Coupled Toroidal Induction Discharges) изучены в гораздо меньшей степени.

Следует отметить, что разделение индукционных разрядов на «высокочастотные» и «низкочастотные» в данном случае достаточно условно, поскольку генерация как НИРТТ, так и ВЧ-Н разрядов может осуществляться в очень широком диапазоне частот. Однако эффективная генерация индукционного разряда трансформаторного типа возможна уже на частотах звукового диапазона (-10 кГц), тогда как ВЧ-Н разряд в данном случае имеет очень невысокую эффективность (более 90% от вкладываемой мощности теряется на нагрев индуктора). Очевидно, что генерация индукционных разрядов в низкочастотном радиодиапазоне (10−200 кГц) имеет ряд существенных преимуществ перед ВЧ индукционными разрядами мегагерцового диапазона: существенно снижается себестоимость источников питания, уменьшается уровень излучаемых радиопомех. Кроме того, использование магнитопроводов позволяет увеличить коэффициент связи между нагрузкой (плазмой) и источником питания. Таким образом, возможность эффективной генерации безэлектродного разряда при сравнительно невысоких частотах тока открывает новые пути для создания различных газоразрядных устройств (плазмохимических реакторов, газоразрядных источников света), обладающих высоким КПД, «неограниченным» ресурсом работы, а также позволяющих получать сверхчистую плазму.

Анализ литературных данных показывает, что большая часть работ посвящена экспериментальным исследованиям НИРТТ в атмосфере инертных и молекулярных газов, с целью создания безэлектродных плазмотронов и плазмохимических реакторов. Гораздо меньшее количество работ посвящено проблематике исследования НИРТТ в парах металлов и инертных газах, с целью разработки новых эффективных безэлектродных источников света.

Поэтому целыо настоящей работы является получение новых данных и исследование наиболее важных характеристик низкочастотных индукционных разрядов трансформаторного типа, генерируемых в смеси паров металлов (ртуть, кадмий) с инертными газами и в чистых инертных газах (неон, ксенон), а именно, изучение:

— электрокинетических свойств разряда;

— излучательных свойств (зависимость выхода излучения в УФ и видимой области спектра от условий «горения» разряда);

— спектральных характеристик (диагностика плазмы оптическими методами).

— возможности применения существующих стандартных моделей газовых разрядов к анализу и расчету параметров НИРТТ;

— условий применимости данных моделей.

Научная новизна:

1. В работе получены новые экспериментальные данные о зависимости напряженности электрического поля в низкочастотном индукционном разряде трансформаторного типа от определяющих параметров, таких как давление плазмообразующего газа, сила ток разряда, диаметр газоразрядной колбы, а также частота тока. Показано, что стандартная П-образная модель осесимметричных дуговых разрядов постоянного тока может быть применена для расчета электрокинетических характеристик ртутно-аргонового НИРТТ при давлениях паров ~10 кПа и выше.

2. Обнаружен и проанализирован эффект увеличения напряженности поля в неоновом индукционном разряде трансформаторного типа, при увеличении частоты тока от 25 до 250 кГц.

3. Получены новые экспериментальные данные об излучательных характеристиках ртутно-аргонового НИРТТ в широком диапазоне условий горения разряда: давлений паров ртути в диапазоне 0.1−40 000 Па, силы тока разряда 1−260 А, диаметров разрядной камеры 20−75 мм. Впервые получены экспериментальные данные об излучательных характеристиках НИРТТ в неоне, ксеноне, смеси паров кадмия с аргоном. Показано, что наблюдаемые зависимости излучательных характеристик от силы тока разряда, давления плазмообразующего газа и диаметра качественно совпадают с аналогичными зависимостями для дуговых разрядов постоянного тока. Проанализированы возможные причины количественных отклонений, а также наблюдаемый эффект уменьшения выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ при увеличении мощности разряда.

4. Впервые получены данные о спектральных характеристиках НИРТТ в неоне и смеси паров кадмия с аргоном, в частности данные о пространственной структуре разряда. На основе полученных данных рассчитан ряд параметров плазмы разряда, рассмотрено влияние геометрии разрядной камеры на пространственную структуру разряда.

Практическая значимость результатов:

1. Предложена методика оптимизации конструкции безэлектродного газоразрядного источника света, работающего на принципе НИРТТ.

2. Определены оптимальные условия генерации НИРТТ в парах ртути и в неоне, соответствующие максимальному выходу излучения как в УФ, так и видимой области спектра.

3. Подтверждена возможность использования стандартной П-образной модели осесимметричных дуговых разрядов постоянного тока к расчету параметров НИРТТ в парах ртути, что дает возможность проектировать безэлектродные газоразрядные лампы с заданными параметрами.

4. На основании выполненных исследований разработаны и изготовлены:

— опытно-экспериментальный образец ртутной безэлектродной лампы мощностью 3 кВт;

— опытно-экспериментальные образцы неоновых безэлектродных ламп мощностью от 100 до 500 Втобразцы безэлектродных УФ ламп низкого давления, мощностью 50−200 Вт.

Выполнены тестовые испытания, результаты которых показали высокую эффективность разработанных безэлектродных ламп. Фотографии экспериментальных образцов показаны в Приложении.

Достоверность полученных результатов достигается использованием стандартных методик измерения электрокинетических, излучательных и спектральных характеристик разрядакалибровкой и поверкой используемой аппаратурыпроведением многократных экспериментальных исследований НИРТТ для фиксированного режима горения разряда (проверка воспроизводимости результата).

Автор защищает:

1. Методику определения оптимальных параметров безэлектродного газоразрядного устройства.

2. Результаты экспериментального исследования электрокинетических характеристик низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа.

3. Обнаруженный эффект возрастания напряженности электрического поля в неоновом индукционном разряде трансформаторного типа с увеличением частоты тока.

4. Результаты экспериментального исследования излучательных характеристик низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа в парах ртути и кадмия, в инертных газах неон и ксенон.

5. Обнаруженный эффект уменьшения выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ (404.6, 435.8, 546.1 нм), при увеличении мощности разряда.

6. Результаты исследования спектральных характеристик НИРТТ в неоне и парах кадмия.

Работа выполнена в лаборатории Радиационного теплообмена Института Теплофизики СО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ за период 2000;2005 г. по темам «ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ» (Гос. per. 01.2.00 103 362), «ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В РАБОЧИХ ТЕЛАХ И МАТЕРИАЛАХ ЭНЕРГЕТИКИ» (Гос. per. 0120.0 408 647) а также при поддержке Научно-Образовательного Центра «Плазма» (Петрозаводский Государственный Университет, проект PZ-013−02).

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах:

III, IV International conference «Plasma physics and plasma technology». Minsk. (2000,2003).

XXXIX, XL Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск. (2001,2002).

Всероссийская научная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Петрозаводск. (2001,2004).

Всероссийская летняя школа-семинар молодых ученых, студентов и аспирантов «Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы». Петрозаводск. 2003.

VII, VIII Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Новосибирск. (2002,2004).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 в реферируемых журналах, 9 в материалах и трудах конференций.

Личный вклад соискателя: Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Автор формулировал и принимал участие в постановке задач, их экспериментальном решении и обсуждении. Ему принадлежит обобщение полученных результатов, выявление закономерностей и формулировка основных выводов.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения с фотографиями экспериментальных образцов безэлектродных ламп. Объем диссертации составляет 112 стр., включая 44 рисунка.

выводы.

Подводя итоги проделанной работы, можно сделать следующие выводы:

1. Получены новые экспериментальные данные о зависимости электрокинетических и излучательных характеристик НИРТТ в атмосфере инертных газов (неон, ксенон) и парах металлов (ртуть, кадмий) от определяющих параметров (давление, ток разряда, диаметр разрядной камеры), а именно: измерены напряженности электрического поля, мощность, излучаемая разрядом в видимом и УФ диапазонах спектра. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с известными характеристиками дуговых разрядов, а также анализ в рамках общей картины энергетического баланса газового разряда. Также, рассмотрена возможность применения стандартной П-образной каналовой модели осесимметричных разрядов к анализу характеристик НИРТТ в парах ртути.

2. Показано, что наблюдаемые зависимости характеристик НИРТТ качественно совпадают с аналогичными для дуговых разрядов, и хорошо описываются общими закономерностями, определяющими структуру энергетического баланса разряда. В частности, показано, что при давлениях паров ртути более 10 кПа и соотношении параметра ЫП> 15 электрокинетические характеристики НИРТТ хорошо описываются в рамках стандартной П-образной каналовой модели осесимметричных дуговых разрядов, основанной на предположении о наличии в плазме разряда ЛТР. Кроме того, наличие ЛТР в плазме НИРТТ в парах ртути при давлении ~25 кПа подтверждено проведенными спектральными исследованиями.

3. При общей качественной схожести обнаружены следующие ранее не описанные эффекты: a) Уменьшение выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ (404.6, 435.8, 546.1 нм) при давлении паров ртути более 10 кПа и мощности разряда более 50 Вт/см, для «мощного» НИРТТ с диаметром колбы 75 мм. b) Увеличение напряженности электрического поля с ростом частоты тока для НИРТТ в неоне, при давлении 1 мм.рт.ст.

Рассмотрены возможные причины появления данных эффектов. Также, проанализирован наблюдаемый для больших значений диаметров газоразрядной трубки эффект быстрого возрастания световой отдачи ртутного НИРТТ с ростом давления.

4. Измерены спектральные характеристики НИРТТ в неоне и парах кадмия, включая поперечные профили яркости линий, спектры разряда в различных областях газового разряда, форма контуров линий. Показана несимметричность профиля яркости линий для разряда в неоне и кадмии, обусловленная изменением величины продольного электрического поля Е{х) с изменением координаты х в тороидальном НИРТТ. Рассчитаны заселенности возбужденных состояний, электронная и газовая температуры, плотности электронов.

5. Рассмотрена методика определения оптимальных параметров сердечника безэлектродного газоразрядного источника света, при известных электрокинетических и излучательных характеристиках разряда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенное исследование электрокинетических, излучательных и спектральных характеристик НИРТТ в парах металлов (ртуть, кадмий) и инертных газов (неон, ксенон) показало, что наблюдаемые зависимости характеристик от определяющих параметров разряда (давление плазмообразующего газа, тока разряда, диаметра разрядной камеры) качественно совпадают с аналогичными зависимостями для дуговых разрядов, что подтверждает выдвинутое в работе [13] предположение о возможности рассмотрения НИРТТ как аналога электродной дуги. Более того, было показано, что электрокинетические характеристики НИРТТ в парах ртути при давлениях >10 кПа и соотношениях LID (периметра газоразрядной колбы к диаметру) >15 могут быть приближенно рассчитаны с применением стандартной П-образной каналовой модели осесимметричных ртутных дуг. Тем не менее, был обнаружен ряд эффектов, обусловленных, очевидно, различием в условиях генерации исследованных НИРТТ и описанных в литературе газовых разрядов.

К числу данных эффектов относятся:

Уменьшение выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ (404.6, 435.8, 546.1) с увеличением мощности разряда, при давлениях паров ртути более 10 кПа и большом диаметре газоразрядной трубки (75 мм).

Увеличение напряженности электрического поля для НИРТТ в неоне, с увеличением частоты тока.

Также необходимо отметить наблюдаемый эффект быстрого возрастания световой отдачи ртутных НИРТТ с ростом давления паров, для газоразрядных трубок большого диаметра. Данный эффект представляет особый интерес с практической точки зрения, поскольку при конструировании безэлектродных источников света вопрос об уменьшении напряженности электрического поля имеет принципиально важное значения, ввиду существующих ограничений на габаритные размеры сердечника (методика определения оптимальных параметров сердечника также рассмотрена в данной работе).

Особый интерес представляют результаты спектральных исследований НИРТТ в неоне и парах кадмия, в частности, полученные поперечные профили яркости спектральных линий и спектры разряда в различных точках газоразрядной колбы. Анализ этих результатов позволяет определить степень нарушения осевой симметрии в тороидальных индукционных разрядах. Данный вопрос представляет большой интерес, поскольку нарушение осевой симметрии в индукционном тороидальном разряде, не оказывая качественного влияния на наблюдаемые зависимости, приводит к количественным изменениям характеристик по сравнению с дуговыми осесимметричными разрядами. В частности, сравнение электрокинетических характеристик НИРТТ в парах ртути при соотношении параметра L/D~ 10 и электрокинетических характеристик НИРТТ с соотношением /-/?"15 показывают, что при соотношении LID-10 измеренное значение напряженности поля не соответствует известной зависимости E~D'm. Поэтому продолжение исследований в области определения влияния геометрии тороидальной газоразрядной камеры на наблюдаемые электрокинетические и излучательные характеристики являются перспективными и имеют большую практическую и научную значимость.

С практической точки зрения, полученные экспериментальные результаты необходимы для проведения работ по конструированию и оптимизации безэлектродных газоразрядных источников света. В частности, полученные результаты были использованы для разработки неоновых безэлектродных ламп низкого давления, мощностью 200 и 500 Ватт (со световой отдачей в ~30 Лм/Вт, что в два раза превышает эффективность электродных аналогов), а также безэлектродных ртутных ламп низкого и высокого давления (50, 100,200 Вт и 3 кВт). Следует отметить, что задача разработки бактерицидных УФ ламп низкого давления имеет большую практическую значимость, ввиду перспектив использования данных источников света в альтернативных и экологически безопасных процессах обеззараживания питьевых и сточных вод, воздуха. Так, на основе безэлектродной УФ-лампы низкого давления мощностью 200 Вт был создан экспериментальный модуль для обеззараживания воды, производительностью 20 м3/час. Фотографии индукционных ламп и установки для Уф обеззараживания воды показаны в приложении. Следует отметить, что данные разработки неоднократно удостаивались высоких оценок на различных конкурсах и выставкахв частности, золотой медали на III и серебренной на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, февраль 2003;февраль 2006 гг.).