Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа

• Автор: Исупов, Михаил Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 112 с. : ил.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Глава 1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. МЕТОДИКИ
ИЗМЕРЕНИЙ
1.1. Принцип генерации НИРТТ
1.2. Динамические характеристики магнитопроводов
1.3. Методика определения оптимальных параметров трансформаторного
газоразрядного устройства
1.4. Экспериментальные установки. Методика эксперимента
1.4.1. Экспериментальные установки для исследования НИРТТ в смеси
инертного газа и паров ртути.
1.4.2. Экспериментальные установки для исследования НИРТТ в инертных
газах (неон, ксенон).
1.4.3. Экспериментальные установки для исследования спектральных
характеристик НИРТТ
Глава 2 ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ НИРТТ В ПАРАХ РТУТИ
2.1. Электрокинетические характеристики НИРТТ в парах ртути
2.2. Излучательные характеристики НИРТТ в парах ртути
2.3. Методика анализа экспериментальных результатов
2.3.1. Общая картина баланса энергии в столбе разряда
2.3.2. Условия применимости стандартных моделей газовых разрядов
2.3.3. Термические разряды
2.3.4. П-образная каналовая модель осесимметричного дугового разряда
2.4. Анализ электрокинетических характеристик НИРТТ в парах ртути
2.5. Анализ излучательных характеристик НИРТТ в парах ртути
Глава 3 ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ, ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ И
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИРТТ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ
3.1. Электрокинетические характеристики НИРТТ в неоне
3.2. Излучательные характеристики НИРТТ в неоне
3.3. Анализ электрокинетических характеристик плазмы НИРТТ в неоне
3.4. Анализ спектральных характеристик НИРТТ в неоне
3.5. Электрокинетические и излучательные характеристики НИРТТ в
ксеноне
Глава 4 ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ, ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ И
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИРТТ В ПАРАХ КАДМИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

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 узлов -электродов, 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 нелыо 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;

В отличие от нерезонансных линий ртути, излучение резонансной линии 253.7 нм (переход б3Р1-6|8о) существенным образом зависит как от давления паров ртути, так и от мощности разряда.
На рис. 2.9 представлена зависимость выхода излучения в резонансную линию
253.7 нм от давления паров ртути, при фиксированном токе разряда. Как видно из рисунка, КПД резонансной линии быстро возрастает при увеличении давления паров ртути, и достигает своего максимального значения при давлении ~1 Па. Дальнейший рост давления приводит к быстрому спаду эффективности резонансной линии; в отличие от нерезонансных линий (рис. 2.7, 2.8), в области средних давлений эффективность линии 253.7 нм не возрастает. Наибольший интерес представляет область давлений -0.5-1.5 Па, где в резонансную линию излучается до 60-70% от вкладываемой в разряд электрической мощности, благодаря чему ртутные разряды низкого давления являются высокоэффективными источниками УФ излучения и широко применяются на практике.
Помимо давления паров ртути, выход излучения в резонансную линию также существенным образом определяется силой тока разряда. Как видно из рисунка 2.9, увеличение плотности тока приводит к быстрому уменьшению выхода излучения в резонансную линию.
Одним из основных недостатков использования ртути в газоразрядных лампах низкого давления является достаточно большая упругость насыщенных паров ртути. Так, оптимальное значение давления (~1 Па), соответствующее максимальному выходу резонансной линии, достигается при температуре 40 °С. При повышении температуры до 70 °С давление паров увеличивается в 7 раз и эффективность уменьшается в два раза. Это обстоятельство существенно затрудняет разработку высокоэффективных ртутных ламп низкого давления большой мощности, способных работать в широком температурном диапазоне. В настоящее время, для решения этой проблемы в качестве наполнения газоразрядных ламп вместо чистой ртути используются различные ртутные амальгамы.
Ртутная амальгама представляет твердый сплав нескольких различных металлов и ртути. Отличительной особенностью амальгам является слабая зависимость давления насыщенных паров ртути от температуры амальгамы, что существенно расширяет возможности при конструировании ртутных газоразрядных ламп низкого давления.
В данной работе проводились исследования электрокинетических и излучательных характеристик НИРТТ с применением трехкомпонентной амальгамы