Физика плазмы, 2019, T. 45, № 3, стр. 268-273

1. ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтный импульсный многоискровой скользящий разряд (ВВИМСР) использовался для решения ряда прикладных задач, связанных с плазмохимией [1], поджигом горючих смесей [2, 3] и газодинамикой [4, 5]. Особенность данного разряда в том, что он представляет собой последовательность микроплазменных образований с высоким удельным энерговкладом.

Согласно [6], микроплазма определяется как плазменная среда, имеющая характерные размеры от милиметра до микрон. Возможны трехмерные, двухмерные (линейные) и одномерные (плоские) микроплазменные образования. Их малый пространственный масштаб позволяет потенциально создавать новые направления исследований в области физики и химии.

Из-за увеличения отношения поверхности к объему, микроплазма может существовать при высоких давлениях и плотностях. Она является эффективной светоизлучающей и реактивной средой.

Для создания микроплазмы используются электрические разряды различного типа: постоянного тока, импульсные, ВЧ и СВЧ. В данной работе микроплазма формируется с помощью ВВИМСР.

Одним из важных факторов, характеризующих исследуемое разрядное устройство, является УФ-излучение. Предварительные результаты по спектральному составу представлены в работе [7]. Было показано, что в области 200–380 нм основное излучение связано с атомами и ионами металлов, из которых изготовлены электроды. Оно практически не зависит от газовой среды (воздух, аргон, азот и пр.).

Основной целью данной работы являются количественные измерения УФ-излучения в области 200 нм < λ < 380 нм, в воздухе при атмосферном давлении с применением метода актинометрии [8].

Следует отметить, что регистрация полного потока УФ-излучения представляет определенные трудности, в особенности, для систем, обладающих протяженной геометрической формой. Ранее актинометрическая методика была нами использована в ряде работ, например, [9, 10].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1, где 1 – металлические электроды, 2 – диэлектрическая трубка, 3 – обратный токопровод, 4 – блок питания, 5 – “слепой” ФЭУ-142, 6 – спектрограф AVASPEC-2048, 7 –бифуркационный световод, 8 – кювета с ферриоксалатом калия, 9 – фильтр БС-8, 10 – пояс Роговского, 11 – делитель напряжения. Параметры источника питания: напряжение $U \leqslant {\text{20 }}$ кВ; ток $I \leqslant 230$ А; частота следования импульсов $f \leqslant 100$ Гц.

Рис. 1.

Схема измерений.

На рис. 2 приведена схема устройства для измерения абсолютной величина интенсивности УФ-излучения. На схеме разрядник (1) помещается внутрь кварцевой трубки (2) диаметром d₁ = = 24 мм, коэффициент пропускания которой не менее 80% в измеряемой области. Пространство между кварцевой трубкой и цилиндрическим сосудом из оргстекла (3) диаметром d₂ = 45 мм заполняется актинометрической жидкостью (ферриоксалатом калия) (4). В приведенном устройстве размеры подобраны таким образом, что практически все излучение разрядника в диапазоне 200–400 нм поглощается актинометрической жидкостью. Данный способ измерения УФ‑излучения не требует использования специальной расчетной модели, как в случае регистрации только части излучения [9, 10].

Рис. 2.

Схема измерений: 1 – разрядник; 2 – кварцевая; 3 – сосуд из оргстекла; 4 – актинометрическая жидкость (ферриоксалат калия).

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Использовался разрядник с шестью промежутками длиной 1.5 мм. В каждом разрядном промежутке формировался микроплазменный разряд, диаметр канала ~100 мкм, удельный энерговклад ~1 кДж/см³.

Осциллограммы тока, напряжения и рассчитанная по ним мощность, вкладываемая в разряд, приведены на рис. 3. Максимальное значение тока составляло 230 А. Основная (канальная) стадия искрового разряда протекала при среднем напряжении 500 В. Энергия, вложенная в разряд ~0.2 Дж.

Рис. 3.

Осциллограммы тока, напряжения и рассчитанная по ним мощность.

С помощью спектрографа (AVASPEC-2048) были сняты интегральные спектры излучения для разрядников, электроды которых выполнены из нержавеющей стали и меди (рис. 4). В наблюдаемых спектрах в области менее 380 нм в основном преобладают линии атомов и ионов металлов (спектры не калиброваны) [11].

Рис. 4.

Спектры излучения разрядника в диапазоне от 230 до 400 нм, с электродами, выполненными из нержавеющей стали (а) и меди (б).

Уширение линии водорода H_α (рис. 5) связано с эффектом Штарка в плазменных электрических полях. По уширению линии была измерена концентрация электронов n_e ~10¹⁷ см^–3 [12]. Для этого в разрядную область вводилось некоторое количество паров воды.

Рис. 5.

Спектр излучения, линия H_α.

На рис. 6 приведены осциллограммы тока и сигнал с ФЭУ-142 соответствующий излучению, поступающего из разрядного промежутка в диапазоне 112–365 нм.

Рис. 6.

Осциллограммы тока и ФЭУ-142 для электродов из нержавеющей стали для всего промежутка.

Для выяснения пространственной картины генерации УФ-излучения был выполнен эксперимент с увеличенным разрядным промежутком 10 мм (типичные осциллограммы приведены на рис. 7). Пространственное разрешение составляло 2 мм. При этом предполагается, что процессы, протекающие в длинном промежутке, качественно не отличаются от процессов в промежутке 1.5 мм.

Рис. 7.

Осциллограммы тока и ФЭУ-142 для электродов из нержавеющей стали из разных областей разрядного промежутка: на аноде, по центру, на катоде.

Из рис. 3 видно, что разряд протекает в две стадии высоковольтной и низковольтной, канальной, стадии, которая характеризуется большой величиной токов и высокой концентрацией электронов. При этом переходной стадии соответствует пик мощности (рис. 3) длительностью 200 нс, который опережает максимум тока. Пик мощности связан с особенностями переходных процессов в электрической цепи. Из рис. 6 видно, что пик излучения, зафиксированного ФЭУ, опережает максимум тока и при этом практически совпадает с максимумом мощности.

Из приведенных на рис. 7 осциллограмм следует, что сигналы с ФЭУ для разных областей разряда отличаются. В начале импульса основное свечение приходится на прианодную область. Оно совпадает по времени с пиком мощности, что способствует интенсивному распылению электрода, вероятно в результате взрывных процессов [13]. За вспышкой длительностью ~250 нс, следует резкий спад интенсивности излучения – это характерно для всех материалов. Начало свечения в катодной области практически совпадает с сигналом из анодной области. Длительность сигнала составляет 2.5 мкс, при этом основное излучение приходится на канальную стадию разряда. При этом временная картина излучения из центральной и анодной областей практически совпадает.

Из полученных результатов следует, что основным источником УФ-излучения являются приэлектродные области.

Количественные измерения УФ-излучения

Измерение УФ-излучения производилось методом актинометрии. Известно, что ферриоксалат калия в растворе, поглощая излучение в УФ- и видимой областях спектра, восстанавливается в результате фотопереноса электрона от оксалатной группы на ион Fe³⁺ и в растворе образуется ион Fe²⁺ [8]. Квантовый выход фотовосстановления ферриоксалата слабо изменяется в области 200–400 нм (уменьшается от 1.2 до 1.0) и остается значительным в видимой области спектра, например, при 509 нм он равен 0.86 [14]. Эффективность поглощения изменяется в зависимости от длины волны гораздо сильнее, чем квантовый выход фотовосстановления ферриоксалата. Так раствор ферриоксалата поглощает 99% света при 400 нм и 61% при 436 нм. В этой связи при измерении интенсивности УФ-излучения с помощью ферриоксалата калия необходимо учитывать влияние на результаты видимой части спектра излучения разрядника.

На рис. 8 приведена зависимость выхода Fe²⁺, регистрируемого спектрофотометрически в виде его комплекса с о-фенантролином, от времени облучения ферриоксалата. Электроды разрядника были сделаны из меди (рис. 8а) и нержавеющей стали (рис. 8б):

${{D}_{{510}}} = \varepsilon lc,$

где D₅₁₀ – оптическая плотность раствора, $\varepsilon = $ $ = 1.1 \times {{10}^{4}}$ М^–1 ⋅ см^–1 – коэффициент экстинкции, $l = 0.5$ см – оптическая длина кюветы, с – концентрация двухвалентного железа.

Рис. 8.

Зависимость оптической плотности комплекса с о-фенантролином от времени облучения ферриоксалата, электроды из меди (а) и нержавеющей стали (б).

Выполненные измерения показали, что выход фотовосстановления ферриоксалата прямо пропорционален времени экспозиции. По числу квантов разрядник с электродами, выполненными из нержавеющей стали, излучает почти в 4 раза интенсивнее, чем с электродами из меди. Рассчитанная по измеренным данным интенсивность излучения разрядника, приняв квантовый выход фотовосстановления ферриоксалата независящим от длины волны и равным 1.0, составляет $3.5 \times {{10}^{{15}}}$ квантов/импульс или $2.3 \times {{10}^{{16}}}$ квантов на Дж энергии, вложенной в разряд. Для разрядника с медными электродами интенсивность излучения в 3–3.5 раза меньше, чем для соответствующего по конструкции разрядника с электродами из нержавеющей стали. Была проведена попытка с-равнить интенсивности УФ-излучения (190 нм ≤ ≤ λ ≤ 380 нм) разрядников с электродами из меди и нержавеющей стали с помощью прокалиброванного спектрографа Avaspek 2048 по схеме на рис. 1. Предварительные результаты показывают достаточно хорошее совпадение с данными актинометрии.

Для определения доли видимого света в результатах актинометрических измерений, были выполнены специальные эксперименты. Суть их состояла в том, что в некоторой точке относительно разрядника устанавливалась кварцевая кювета с ферриоксалатом калия (рис. 1), фотовосстановление которого определяли для двух случаев: в отсутствие и при наличии светофильтра БС-8. Светофильтр имеет крутую границу пропускания в диапазоне 360–400 нм (50% пропускания при 380 нм, 0% при 360 нм и более 80% при 400 нм). В первом случае фотовосстановление ферриоксалата связано как с поглощением УФ, так и видимого света, во втором случае ферриоксалат восстанавливался в основном под действием видимого света. Очевидно, что разница этих величин соответствует интенсивности УФ‑излучения разрядника в области λ < 380 нм. Измерения, выполненные для разрядника с шестью разрядными промежутками, электродами из нержавеющей стали при вложенной в разряд энергии 0.2 Дж в импульсе, показали, что доля УФ-излучения составляет 80–85% от полной интенсивности излучения, регистрируемой ферриоксалатом (рис. 8б).

Для разрядника с медными электродами (рис. 8а) доля УФ-излучения, определенная таким же способом, составляла 65–75% от полной интенсивности излучения.

Принимая во внимание, что лишь 80% регистрируемого излучения разрядника обусловлено ультрафиолетом, получим, что УФ-излучение составляет для нержавеющей стали $2.8 \times {{10}^{{15\quad}}}$ квантов/импульс и $1.8 \times {{10}^{{16}}}$ квантов на Дж энергии, вложенной в разряд, соответственно для меди $0.6 \times {{10}^{{15\quad}}}$ квантов/импульс и $0.4 \times {{10}^{{16}}}$ квантов на Дж.

При этом КПД УФ-излучения разрядника с электродами из нержавеющей стали относительно вложенной в разряд энергии составляет ~1%. Средняя мощность УФ-излучения в диапазоне 200–380 нм составляет ~1 кВт в импульсе.

Для определения оптимальных условий генерации УФ-излучения были выполнены следующие эксперименты: для разрядных промежутков длиной 1.5 мм, 3 мм и 11 мм была определена эффективность излучения УФ. Результаты свидетельствуют о том, что эффективность возрастает с уменьшением длины разрядного промежутка. Следовательно, многоэлектродная система с промежутками малой длины является предпочтительней для генерации УФ.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты демонстрируют эффективность разрядного устройства в качестве источника УФ-излучения в диапазоне 200–380 нм – КПД 1%. Данную систему можно рассматривать как совокупность микроплазменных разрядов линейной геометрии с удельном энерговкладом ~1 кДж/см³. Возможны различные варианты конструкции (разрядной) системы, например кольцевые, спиральные и пр. Предлагаемое устройство может быть эффективно использовано в различных целях, в том числе в медико-биологических исследованиях и для обработки поверхностей.

Авторы благодарят Артемьева К.В. за участие в измерении спектров и обсуждении результатов.