Эффективный источник ультрафиолетового излучения на основе разряда низкого давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.07, кандидат технических наук Свитнев, Сергей Александрович

• Свитнев, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Свитнев, Сергей Александрович

Оглавление

Введение

1. Анализ литературы по проблематике диссертации

1.1. Классификация УФ-излучения

1.2. Обеззараживание УФ-излучением

1.3. Источники УФ-излучения на основе дугового разряда низкого давления

1.4. Источники излучения на основе индукционного разряда

низкого давления

1.5. Емкостной и индукционный разряды в безэлектродных лампах

1.6. Трансформаторная модель индукционного разряда

1.7. Система уравнений, описывающая поведение ртутно-аргоновой плазмы низкого давления

1.8. Уширение спектральных линий и перенос резонансного излучения ртути

1.9. Функция распределения электронов по энергиям в ртутно-аргоновом разряде низкого давления

1.10. Заключение к анализу литературы

2. Разработка замкнутой математической модели индукционной УФ-лампы

2.1. Объект исследований - трубчатая индукционная безэлектродная лампа

2.2. Механизм накачки ВЧ-мощности в плазму индукционного разряда. Связь тока в индукторе и условий разряда с подводимой мощностью

2.3. Система баланса образования и разрушения возбужденных атомов в условиях плазмы индукционного ртутно-аргонового разряда

2.4. Численное решение уравнения Бибермана-Холстейна в ртутно-

аргоновой плазме низкого давления

2.5. Численное решение кинетического уравнения Больцмана в ртутно-аргоновой плазме низкого давления

2.6. Разработка алгоритма расчета основных параметров плазмы индукционного разряда низкого давления с использованием замкнутой математической модели

2.7. Обзор основных допущений, принятых в математической модели. Диапазон условий разряда, обеспечивающих корректную работу модели

2.8. Результаты математического моделирования поведения индукционной УФ-лампы при различных условиях разряда

2.9. Заключение к главе 2

3. Экспериментальные исследования зависимости КПД генерации УФ-излучения от мощности лампы для колб малых диаметров

3.1. Экспериментальная установка и описание методики измерений

3.2. Результаты экспериментальных исследований ламп диаметром 38 мм и 32 мм. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными

3.3. Заключение к главе 3

4. Заключение по проделанной работе

5. Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффективный источник ультрафиолетового излучения на основе разряда низкого давления»

Введение

Актуальность темы диссертации

Газоразрядные лампы, использующие принцип индукционного возбуждения разряда низкого давления в смеси паров ртути и инертного газа являются весьма молодым и перспективным направлением источников ультрафиолетового излучения. Их отличает большой срок службы (до сотен тысяч часов), низкие давления инертных газов (0.1-0.3 Topp), на которых достигается высокий КПД генерации излучения на длинах волн 184.9 нм и 253.7 нм, возможность работать на высоких мощностях 150-500 Вт. Особый интерес представляют линейные (трубчатые) индукционные ртутные лампы без магнитного усиления (ферромагнитных сердечников или магнитопроводов), которые отличаются высоким КПД генерации ультрафиолетового излучения и большим сроком службы (до 60000 ч). Они могут использоваться, например, в установках для обеззараживания воды или воздуха, с успехом заменяя короткоживущие источники ультрафиолетового излучения на основе газоразрядных ламп с внутренними электродами. В связи с этим, представляют несомненный интерес экспериментальные и теоретические исследования газоразрядных индукционных бесферритных источников ультрафиолетового излучения при различных режимах работы.

В настоящей работе в качестве объекта исследований была выбрана трубчатая бесферритная индукционная УФ-лампа, наполненная смесью аргона (давление около 10-50 Па) и ртути (около 1 Па). Отличительная особенность данного источника излучения заключается в том, что индуктор охватывает разрядную колбу по ее периметру, т.е. провода обмотки индуктора идут вдоль оси колбы. От других бесферритных индукционных ламп данный источник излучения выгодно отличает простота конструкции и технологичность. Длина ламп обычно составляет 30-50 см, диаметр - 3-7 см. Разряд в лампе возбуждается на частотах порядка нескольких МГц при мощностях 150-500 Вт. Данный тип

индукционных источников излучения был впервые предложен в конце прошлого века Поповым O.A.

К сожалению, на настоящий момент практически полностью отсутствуют какие-либо теоретические исследования поведения данного источника УФ-излучения при вариации условий разряда. Кроме того, основной массив экспериментальных данных, характеризующий работу ламп этого типа при различных условиях разряда, был получен для ламп диаметром более 50 мм. Здесь необходимо отметить, что в современных установках по обеззараживанию воды, которые являются одной из основных возможных областей применения трубчатых индукционных источников УФ-излучения, не используются лампы диаметром выше 40 мм. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования трубчатых индукционных ламп с индуктором, намотанным вдоль оси трубки, являются необходимым условием для разработки эффективных вариантов ламп данного типа.

Цели диссертационной работы

Целями настоящей работы являются математическое моделирование и экспериментальные исследования поведения трубчатой индукционной УФ-лампы с индуктором, намотанным вдоль оси разрядной колбы, при различных условиях разряда. Данная лампа является достаточно новым и малоисследованным источником УФ-излучения, поэтому для ее эффективного использования необходимо детальное понимание физики индукционного разряда в колбах, наполненных смесью аргона с ртутью, при выбранной конфигурации индуктора. Кроме того, необходимым является знание основных закономерностей, связывающих выход ультрафиолетового излучения и условия разряда. Знание этих закономерностей позволяет производить отбор наиболее оптимальных условий работы лампы и создавать высокоэффективные источники УФ-излучения на основе разряда данного типа.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. В рамках диссертационной работы впервые предложена электродинамическая модель для расчета распределения напряженности электрического поля по сечению разрядной трубки в индукционной ртутно-аргоновой плазме, возбуждаемой током в индукторе, провод которого расположен по периметру разрядной трубки (намотка осуществлялась вдоль оси трубки).

2. Впервые был проведен расчет и анализ зависимости пространственной неоднородности напряженности электрического поля в бесферритной замкнутой трубке от внешних параметров разряда - частоты питающего напряжения, мощности лампы, диаметра разрядной колбы, давления ртути и аргона.

3. Впервые была создана замкнутая математическая модель для расчета внутренних параметров плазмы индукционного разряда (концентрации электронов, концентрации возбужденных атомов ртути и электронной температуры) и мощности УФ излучения, выходящего из плазмы для индукционных ламп выбранного типа.

4. Впервые с помощью математического моделирования было показано, что у выхода излучения резонансной линии ртути 184.9 нм наблюдаются два максимума при вариации давления паров ртути.

5. Впервые были проведены экспериментальные исследования параметров и характеристик индукционных ламп выбранного типа с колбами малых диаметров - 32 мм и 38 мм.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Замкнутая математическая модель индукционного трубчатого источника УФ-излучения, позволяющая рассчитывать характеристики данного источника в широком диапазоне условий разряда.

2. Полученная в результате моделирования пространственная зависимость напряженности электрического поля и объемной плотности мощности индукционного разряда от положения точки, для которой ведется расчет, внутри колбы лампы.

3. Полученная в результате моделирования сложная зависимость выхода резонансного излучения ртути с длиной волны 184.9 нм от давления паров ртути.

4. Результаты расчетов электрических и оптических характеристик УФ-лампы при вариации мощности лампы, диаметра колбы лампы, давлений ртути и аргона, числа витков в индукторе и рабочей частоты.

5. Зависимость длины излучающей части лампы от диаметра колбы лампы, давления аргона и мощности лампы.

6. Результаты экспериментальных исследований оптических и электрических характеристик УФ-ламп малых диаметров (32-38 мм) от мощности лампы и давления аргона.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов определяется следующими факторами:

1. Результаты, полученные с помощью математического моделирования, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. По результатам модельных расчетов на базе производственных мощностей ООО «СОВВ» разработана и создана партия экспериментальных ламп малых диаметров (32-38 мм).

3. Сравнение модельных расчетов и результатов измерений параметров экспериментальных ламп показало хорошее качественное и количественно совпадение.

4. Измерения проводились на большом количестве экспериментальных образцов с применением современного высокоточного измерительного оборудования.

Научная ценность результатов

Научная ценность результатов, полученных в диссертации, заключается в разработке замкнутой математической модели индукционной лампы, которая позволяет предсказывать изменение характеристик данного типа ламп при вариации условий разряда. Отличительная особенность модели - учет отличия

функции распределения электронов по энергиям от равновесной и анализ процессов переноса резонансного излучения плазмы на основе численного решения уравнения Бибермана-Холстейна. Данную модель можно распространить на индукционные лампы других типов. В диссертации в рамках разработанной математической модели впервые рассчитано пространственное распределение напряженности электрического поля и объемной плотности электрической мощности внутри колбы индукционной лампы выбранного типа. Знание данных параметров является необходимым условием для оптимизации контура возбуждения индукционного разряда.

Практическая значимость результатов

Практическая значимость результатов заключается в определении на основе экспериментальных исследований и численного моделирования оптимальных условий генерации УФ-излучения плазмой индукционного разряда. Полученные закономерности могут послужить основой для разработки высокоэффективных индукционных источников УФ-излучения и для инженерных расчетов параметров индукционных ламп.

Личный вклад автора

Экспериментальные результаты, описанные в работе, получены автором самостоятельно. Численные расчеты выполнены автором самостоятельно с использованием самостоятельно разработанной и отлаженной математической модели.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах на кафедре Светотехники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», в ООО «СОВВ» и на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2008.

2. Научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2009.

3. 15-я международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2009.

4. 16-я международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2011.

5. 7-я международн. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Саранск, Ноябрь 2009.

На основании результатов работы в ООО «СОВВ» была разработана серия опытных индукционных ламп диаметром 38 мм, область использования которых - малые установки по обеззараживанию воды.

Полученные в диссертации результаты используется в следующих курсах лекций на кафедре Светотехники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»: «Источники оптического излучения», «Расчет и конструирование источников света», «Тенденции развития источников света и пускорегулирующей аппаратуры», а так же в курсовых проектах, дипломном проектировании и учебном пособии "Индукционные источники света" (Попов О.А, изд. МЭИ, 2010).

Список основных публикаций

По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, из которых 2 опубликованы в рецензируемых научных журналах [1, 2], одна в нерецензируемом журнале [3] и 5 в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций [4-8].

1. Попов O.A., Сеитнев С. А. Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда, возбужденного катушкой индуктивности, расположенной по периметру продольного сечения разрядной трубки//Светотехника. 2010. 3. С. 63-65.

2. Свитнев С.А., Попов O.A. Расчет функции распределения электронов по энергиям в стационарном разряде низкого давления // Вестник МЭИ. 2012. 3. С. 100-105.

3. Svitnev S.A. and Popov O.A. Plasma parameters spatial distribution of low pressure ferrite-free inductive discharge //Light and Engineering. 2011. 1. P. 79-82.

4. Свитнев СЛ., Попов O.A. Пространственное распределение электрического поля и удельной мощности в плазме индукционного разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2008, С.24-28.

5. Свитнев СЛ., Решенов С.П. Развитие математической модели столба разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2009, С. 52-53.

6. Свитнев СЛ., Решенов С.П. О расчете функции распределения электронов по энергиям в столбе разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. 15-ой международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2009, С. 171-172.

7. Свитнев СЛ., Решенов С.П. Различие равновесной и реальной функций распределения электронов по энергиям в столбе разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. 16-ой международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2010, С.212-213.

8. Свитнев СЛ., Решенов С.П. Математическая модель столба разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. VII международн. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Саранск, Ноябрь 2009.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа изложена на 154 страницах текста, содержит 97 рисунков и 5 таблиц. Список литературы насчитывает 131 наименование и изложен на 9 страницах.

Первая глава содержит анализ литературных данных, посвященных генерации УФ-излучения ртутным разрядом низкого давления и его

10

применениям. Здесь, сперва, рассматриваются классификация УФ-излучения и механизмы обеззараживания УФ-излучением. Затем рассматриваются основы функционирования как традиционных источников излучения с внутренними электродами, так и безэлектродных индукционных ламп. Приводится краткое описание физики работы индукционных ламп, рассматривается трансформаторная модель индукционного разряда. Далее рассматривается система уравнений, на основе которой можно создать замкнутую математическую модель индукционной лампы. Отдельно рассматриваются процессы переноса резонансного излучения ртути в индукционном разряде и механизмы формирования функции распределения электронов по энергиям.

Вторая глава диссертации посвящена разработке замкнутой математической модели индукционной лампы. Здесь подробно рассмотрены механизмы формирования структуры электрического поля в плазме, методика расчета функции распределения электронов по энергиям и методика решения уравнения Бибермана-Холстейна. Также рассмотрен метод решения системы уравнений баланса образования и разрушения возбужденных атомов ртути. Приводится обширный массив данных, полученных в результате математического моделирования поведения УФ-лампы при различных условиях разряда; приводится сравнение результатов математического моделирования с экспериментами других авторов.

В третьей главе диссертации описывается методика измерений параметров индукционных УФ-ламп малых диаметров. Приводятся результаты экспериментальных исследований и их сравнение с теоретическими расчетами.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы по результатам экспериментальных и численных исследований эффективности генерации УФ-излучения в зависимости от условий ртутно-аргонового индукционного разряда низкого давления.

1. Анализ литературы по проблематике диссертации

1.1. Классификация УФ излучения

Электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне от 10 до 400 нм (энергия кванта от 3 до 124 эВ) называют ультрафиолетовым (УФ) излучением [1]. УФ-излучение впервые было обнаружено немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером. В 1801 году он обнаружил, что невидимые лучи, находящиеся непосредственно за фиолетовым краем видимого спектра, эффективно разлагают хлорид серебра [1]. Он назвал их «окисляющими лучами», чтобы подчеркнуть химическую активность и отличать их от «тепловых лучей» инфракрасного (ИК) диапазона, открытого незадолго до этого. Вскоре после этого закрепилось название «химические лучи», которое оставалось популярным на протяжении всего XIX века. В 1893 году другой немецкий физик, Виктор Шуман, открыл излучение с длиной волны ниже 200 нм, получившее название вакуумного ультрафиолета (ВУФ) [3].

В настоящее время выделяют несколько подвидов УФ-излучения (табл. 1.1.1). УФ-спектр делится либо на области ближнего, среднего, дальнего и экстремального УФ-излучения, либо по категориям А, В, С и ВУФ. Солнце генерирует УФ-излучение преимущественно в областях А, В и С. Из рис. 1.1 видно, что при прохождении через атмосферу энергетический спектр солнечного излучения существенно изменяется: происходит ослабление энергетики излучения и появляются резкие провалы, обусловленные селективным поглощением атмосферными газами - парами воды, углекислым газом, кислородом, озоном и другими [4]. Общее ослабление потока солнечного излучения характеризуется слабой зависимостью от длины волны; оно обусловлено рассеянием электромагнитных волн на оптических неоднородностях атмосферы, вызванных флуктуациями ее плотности. Также существует рассеяние излучения на содержащихся в атмосфере твердых и жидких частицах вещества во взвешенном состоянии, образующих аэрозольные и водные облака. Озоновый слой Земли поглощает 97-99% солнечного

ультрафиолета, при этом примерно 98.7% УФ-излучения, достигающего поверхности Земли, лежит в диапазоне УФ-А (рис. 1.1).

? m

1.0

ч,ь

О О 2 0.4 3.6 <-.,3 1.0 t.2 1!

Д/тка тмты,. тш$*ч

-i £ СО.

,0 2 к >■ 4

r«,Q, СО,

¿ ? 3.0 3.2

Рис. 1.1. Энергетический спектр Солнца и полосы поглощения атмосферы Земли (точки). Около каждой полосы поглощения указаны поглощающие газы. 1 - солнечная радиация внешней части атмосферы, 2 - солнечная радиация на уровне моря, 3 - спектр черного тела с температурой равной температуре поверхности Солнца (5900 К). [4]

Таблица 1.1.1. Типы УФ-излучения согласно ISO 21348:2007

Наименование вида УФ-излучения Аббревиатура Диапазон длин волн, нм Энергия фотона, эВ

Ближний NUV 400 — 300 3.10 — 4.13

Средний MUV 300 — 200 4.13 — 6.20

Дальний FUV 200 — 122 6.20—10.2

Экстремальный EUV, XUV 121 —10 10.2 — 124

Вакуумный VUV (ВУФ) 200 — 10 6.20—124

Ультрафиолет А UVA (УФА) 400 — 315 3.10 — 3.94

Ультрафиолет В UVB (УФВ) 315 — 280 3.94 — 4.43

Ультрафиолет С UVC (УФС) 280 — 100 4.43 — 12.4

Мягкое УФ-А и УФ-В излучение, проникающее на поверхность земли, участвует в ряде фотобиологических реакций, благотворно влияющих на живые организмы [5]. Так, у людей, проживающих в арктических районах, длительная недостаточность УФ-излучения может иметь неблагоприятные последствия для организма, наиболее частым из которых является недостаток витамина В. Образование витамина Б происходит в организме под воздействием излучения области УФ-В. Излучение диапазона УФ-А практически не приводит к

13

образованию витамина Б, но способствует появлению загара на коже и используется в соляриях. Также УФ-А и УФ-В излучение используется при лечении заболеваний кожи.

1.2. Обеззараживание УФ-излучением

Жесткое УФ-С излучение приводит к деструктивно-модифицирущим фотохимическим реакциям в живых организмах с летальным исходом (бактерицидное действие) [5]. При этом спектры действия летального эффекта, как правило, имеют выраженный нуклеиновый максимум в области 260-265 нм (рис. 1.2). Однако для отдельных организмов описаны как чисто «белковые» (с максимумом при А=280 нм), так и смешанные (с максимумами при /1=260 и 280 нм) спектры летального эффекта.

0.0 J-

220 230 240 250 200 270 2SQ 290 300 310 32Q

Длина волны, нм Рис. 1.2. Кривая бактерицидной эффективности УФ-излучения.

Основным результатом воздействия ультрафиолетового излучения на молекулы ДНК является разрушение водородных связей пурин-пиримидиновых димеров молекулы ДНК, которые стабилизируют двойную спираль (рис. 1.3) [6]. При разрушении достаточного количества таких связей возможна денатурация ДНК с потерей возможности формирования правильной информационной РНК, участвующей в синтезе белка. Таким образом, нарушение структуры ДНК

приводит к снижению жизненной активности организма из-за нарушения процесса синтеза белка и репликации ДНК. Возможно также влияние УФ излучения непосредственно на молекулы РНК и белков, однако это наносит меньший вред организму, т.к. они могут быть восстановлены при наличии

неповрежденной ДНК.

Befóte

incominc UV Photon

After

Рис. 1.3. Характерные повреждения молекул ДНК под действием УФ излучения.

Из вышесказанного можно заключить, что для надежной дезактивации отдельного вида микроорганизмов необходима определенная доза облучения. Как правило, ее величина определяется экспериментально и зависит от особенностей строения конкретных клеток. Например, есть четкое деление на прокариотические и эукариотические клетки. К прокариотам относятся бактерии и вирусы, их основная отличительная особенность состоит в отсутствии локализации генетического материала внутри клетки, что делает его доступным для УФ-излучения. У эукариотических клеток, к которым относятся, например простейшие, генетический материал сосредоточен в ядре, защищенном дополнительной мембраной. Таким образом, дозы облучения, необходимые для борьбы с разными видами организмов могут отличаться на порядки. Опасность для человека представляют как бактерии с вирусами, так и более совершенные микроорганизмы. Одним из наиболее известных и опасных для человека

представителей простейших является малярийный плазмодий, поражающий клетки печени и крови.

При УФ-облучении наблюдается экспоненциальная зависимость между числом выживших микроорганизмов (относительно первоначального уровня) и значением дозы облучения Н: АТь = Ыоехр(-кН), где Ыь - число выживших микроорганизмов; N0 - начальное число микроорганизмов; к - константа, характеризующая степень чувствительности данного вида микроорганизма к облучению. Значения бактерицидных доз, необходимых для обеспечения определенных степеней обеззараживания, экспериментально установлены для многих видов микроорганизмов [5].

Ориентировочные значения доз УФ-излучения с длиной волны 253.7 нм при бактерицидной эффективности 90%, полученные в лабораторных условиях для

воздушной среды, составляют 20-150 Дж/м для бактерий и вирусов, 200-1500

2 2 Дж/м для грибков, 500-1800 Дж/м для спор и плесени. Достаточно

чувствительны (до 250-800 Дж/м ) к бактерицидному излучению некоторые

представители простейших, например цисты лямблий; положительные

результаты получены при дезактивации гельминтов и их яиц, однако для этого

необходимы более высокие дозы - около 4000-6000 Дж/м .

Метод УФ-обеззараживания лишен главного недостатка окислительных методов дезинфекции - неизбежного содержания остатков реагентов в обрабатываемой среде [7, 8]. УФ-метод не оказывает остаточного воздействия на воду или воздух и не приводит к образованию вредных веществ или других потенциально опасных продуктов. Метод обеззараживания ультрафиолетом эффективен, прост и экономичен, он позволяет уничтожать вирусы, грибы и яйца червей-паразитов (гельминтов), на которые не действуют традиционные химические методы, в частности, хлорирование [9]. Применение УФ-излучения позволяет добиться более эффективного обеззараживания по сравнению с хлорированием и озонированием, особенно в отношении вирусов [10].

В настоящее время для обеззараживания воды в мировой практике наметилась тенденция по замене хлорирования на УФ-облучение. В ряде

развитых стран, таких как Германия, США, Австрия, Норвегия, Россия, установлены нормы на дозу облучения различных типов воды, которая колеблется от 16 мДж/см до 40 мДж/см [11,12].

1.3. Источники УФ-излучения на основе дугового разряда низкого давления

Основным источником УФ-излучения является электрический разряд в газах. В 20-х годах XX века было открыто, что разряд в смеси паров ртути с инертным газом при давлениях последнего 0.1-5 Topp является очень эффективным источником резонансного излучения ртути с длинами волн 184.9 нм и 253.7 нм [13]. Первые ртутные лампы в СССР были разработаны в 1927 г. после исследований, проводимых под руководством В.А. Фабриканта [14]. Основным направлением этих исследований было создание люминесцентной лампы, где излучение ртутного разряда низкого давления использовалось для возбуждения люминофора. С середины 30-х годов XX века после создания надежных вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло УФ излучение ртутного разряда низкого давления стало применяться доя целей дезинфекции. С точки зрения использования таких ламп для обеззараживания, следует отметить, что наряду с высоким КПД длина волны излучения атома ртути практически совпадает с положением максимума кривой бактерицидного действия излучения [5].

В настоящее время широко применяются ртутные источники УФ-излучения низкого давления с дуговым разрядом, где в качестве источника электронов используются оксидные электроды. Дуговыми называют разряды, у которых катодное падение составляет ~10 В [15], а плотности тока на катоде высоки (порядка 100 А/см2) [16]. Процессы, происходящие в столбе разряда дуги низкого давления, аналогичны процессам в столбе тлеющего разряда: плазма сильнонеравновесная, а вольт-амперная характеристика дугового разряда -падающая. Основной механизм испускания электронов с оксидного электрода -термоэлектронная эмиссия в катодном пятне [15].

На рисунке 1.4 представлена диаграмма Гротриана для атома ртути. Для дуги низкого давления большая часть излучаемой энергии приходится на

3 1

резонансное излучение с уровней 6 Рх и 6 Р]. Поэтому понимание механизма заселения этих состояний и механизма выхода резонансного излучения из плазмы (линии 253.7 нм и 184.9 нм соответственно) является ключевой задачей при разработке эффективных источников УФ-излучения, работающего на парах ртути.

Рис. 1.4. Диаграмма Гротриана атома ртути [17].

Для определения преобладающих процессов в плазме разряда низкого давления в парах ртути с добавкой инертного газа выполнено большое число исследовательских работ. Еще в предвоенные годы Клярфельд, используя зондовые измерения, показал, что ионизация в ртутном разряде является, преимущественно, ступенчатой [18]. Сравнивая число пар ионов о/, генерируемых каждым электроном за секунду, полученное прямыми зондовыми измерениями, с величиной с^, рассчитываемой в предположении, что ионизация идет только прямым путем, Клярфельд получил различающиеся результаты, причем отношение щ/а2 быстро возрастало с ростом тока. Более поздние измерения и компьютерное моделирование подтвердили [19, 20], что ионизация в ртутном разряде идет, в основном, по двум каналам: ступенчато, через состояния 6 Р, и через ассоциативную ионизацию [21] Н^(6 Р)+Щ(6 +е, причем роль первого процесса падает, а второго

возрастает с повышением давления ртути.

1,00 0,75

0750 0^25 О

10~г 1 10е 10* 10ь 10-2 7 10г 70* 106 я) Р,пл J) . р7 Пси

Рис. 1.5. Баланс энергии столба разряда в зависимости от давления паров ртути, а) -плотности тока десятки миллиампер на квадратный сантиметр; б) - плотности тока

амперы на квадратный сантиметр.

Клярфельдом была получена обобщенная картина баланса энергии столба разряда в парах ртути с добавкой инертного газа [22]. В приведенном виде баланс энергии записывается следующим образом:

Vpe3+VuP+Vmp+Vv=^, (1.3.1)

где уРез - доля излучения резонансных линий, Т]нр - доля излучения нерезонансных линий, ijv - доля тепловых потерь в объеме газа, утр - доля тепловых потерь на стенках трубки. Выше (рис. 1.5) схематично изображен баланс энергии столба разряда по Б.Н. Клярфельду в зависимости от давления ртути. По оси ординат отложены значения слагаемых уравнения баланса (1.3.1), выраженные в долях от суммарной мощности столба rj. Из рис. 1.5 видно, что существуют различные области давлений и токов, благоприятные для выхода излучения из разряда. Наибольший выход резонансного излучения имеет место в области малых плотностей тока и низких давлений (НД) - от нескольких десятых долей до нескольких сот Паскалей. Наибольшие значения црез могут достигать при этом 80-85%. Максимальный выход нерезонансного излучения цнр наблюдается при больших плотностях тока и высоком давлении (ВД).

При больших плотностях тока существует также область НД, в которой выход нерезонансных излучений достигает сравнительно больших значений. Полученным зависимостям для области НД может быть дано следующее

качественное объяснение. Выделение энергии непосредственно на стенках трубки вызвано рекомбинацией электронов и ионов на стенках, передачей стенке кинетической энергии падающих электронов и ионов и передачей энергии метастабильных атомов. При очень низких давлениях газа, порядка 10" Па (около 10~4 Topp), скорость ионизации существенно выше скорости возбуждения вследствие высокой температуры электронов (Те). Ввиду относительно малого числа соударений, малы потери в объеме газа. Почти вся энергия выделяется в виде тепла на стенках трубки. Уменьшение rjmp с ростом давления объясняется, главным образом, уменьшением скорости диффузии заряженных частиц и метастабильных атомов к стенкам. Основной причиной, вызывающей нагрев газа в объеме, являются упругие соударения электронов с атомами газа. При постоянном токе с ростом давления газа относительные тепловые потери в объеме rj у быстро возрастают. При больших давлениях газа и плотностях тока начинает играть заметную роль обратный процесс передачи энергии от атомов к электронам.

Поясним ход зависимости г)рез от давления паров ртути. Результаты исследований показывают, что уровень 6 Pi заселяется, в основном, в результате

о ^

столкновения 6 Род с электронами [23], причем заселенность уровня 6 Рг заметно

3 3

выше заселенностей уровней 6 Род [24, 25]. Разрушение уровня 6 Pi происходит через излучение линии 253.7 нм, столкновение с возбужденными атомами ртути, а также через удары второго рода [13]. Уровень ö'Pi заселяется, в основном,

1 3

через ступенчатое электронное возбуждение, сначала

затем

63P0j2^6'Pi [19], а распадается через излучательный переход 184.9 нм. Распадом уровня за счет перехода на более высоколежащие уровни и ионизации можно пренебречь, так как их вклад на 2-f-3 порядка меньше [26]. С увеличением давления паров ртути от ~0.01 до ~1 Па увеличивается концентрация

3 1 3

возбужденных (6 Рь 6 Pi) и метастабильных (6 Род) атомов и наблюдается быстрый рост црез. При дальнейшем увеличении давления происходит спад ijpe3, вызванный ростом эффективности тушащих процессов, падением электронной температуры и эффектом пленения резонансного излучения [16].

Добавление в чисто ртутный разряд инертного газа (ИГ) может существенно изменить его характеристики. Например, в смеси ИГ с ртутью может проявляться эффект Пеннинга. Суть этого явления состоит в том, что при зажигании разряда в смеси газов требуется существенно меньшее стартовое напряжение, чем для каждого из газов в отдельности. Эффект Пеннинга проявляется, когда метастабильные уровни одного из газов смеси лежат немного выше потенциала ионизации другого газа. Соответственно, появляется дополнительный механизм ионизации одного компонента смеси за счет передачи ему энергии от метастабильного атома другого компонента. Так, пары ртути могут образовывать пеннинговскую смесь с аргоном или неоном, но не образуют ее с ксеноном или криптоном. В таблице 1.3.1 приведены энергии метастабильных уровней и потенциалы ионизации инертных газов и ртути. Исходя из этих данных, можно определить, образуют газы пеннинговскую смесь или нет. Наиболее сильно эффект Пеннинга проявляется для смеси ртути с аргоном, так как в этом случае энергия метастабильного уровня атома аргона наиболее близка к потенциалу ионизации ртути [13, 27].

Таблица 1.3.1. Энергии метастабильных уровней и потенциалы ионизации ртути и инертных газов.

Газ Энергия метастабильного уровня, эВ Потенциал ионизации, В

Не 19.80 24.58

N6 16.62 21.56

Аг 11.55 15.76

нё 4.67 10.43

Кг 9.91 14.00

Хе 8.32 12.13

Другой важнейшей функцией инертного газа является снижение скорости диффузии электронов к стенкам трубки. Меняя давление ИГ, можно регулировать электронную температуру до оптимального уровня, при котором потери энергии на возбуждение и излучение атомов ртути значительно превосходят потери на упругие соударения. При этом необходимо отметить, что

потери на возбуждение атомов ртути зависят от электронной температуры экспоненциально, а потери на упругие соударения практически линейно [16].

Добавление инертного газа также влияет на выход излучения. В работе [28] проводилось исследования разряда в парах ртути и в смеси паров ртути и аргона. Было установлено, что добавка аргона приводит к уменьшению пленения резонансного излучения линии 253.7 нм. Это объяснялось следующим образом: во-первых, радиальные профили концентраций излучающих атомов более пологие в смеси газов, чем в чистой ртути, - отношение концентрации возбужденных атомов вблизи стенки к концентрации на оси разряда для смеси Щ+Аг превышает такое же отношение для чисто ртутного разряда более, чем на 25%. Во-вторых, добавление аргона приводит к дополнительному уширению спектральной линии, которое обусловлено столкновением атомов ртути и нейтрального газа. Учет уширения аргоном дает согласующиеся с экспериментом зависимости. В эксперименте получено, что добавление аргона приводит к увеличению вероятности выхода излучения из плазменного объема.

Необходимая для оптимального выхода УФ-излучения электронная температура может быть достигнута заменой одного буферного газа на другой с большими диффузионными потерями или использованием более низких давлений газа [16]. На рис. 1.6 приведены зависимости выхода УФ-излучения от удельной мощности разряда при постоянном давлении паров ртути, диаметре колбы 38 мм и давлении инертного газа 260 Па [13].

Вт/см ,;/уг.:

Рис. 1.6. Зависимость выхода УФ-излучения с длиной волны 253.7 нм от удельной мощности для ламп диаметром 38 мм, наполненных различными инертными газами при давлении 260 Па

и давлении ртути 0.8 Па.

Выбор газа для требуемой мощности лампы не является однозначным. Так, для получения максимального выхода излучения при удельной мощности 1.6 Вт/см предпочтительнее использовать неон, а при удельной мощности 0.8 Вт/см неон и аргон дадут близкий выход излучения.

Конструктивно ртутные лампы низкого давления создаются так, чтобы давление насыщенных паров ртути при температуре самой холодной зоны лампы было близко к оптимальному давлению (порядка 1 Па). При повышении мощности разряда давление паров ртути повышается из-за увеличения температуры стенки разрядной трубки, что приводит к снижению выхода УФ-излучения. Соответственно, для ламп с высокой удельной нагрузкой необходимо применять дополнительные меры для поддержания оптимального давления паров ртути. Конструктивно это можно выполнить, применяя термостатирующий блок, который поддерживает давление ртути на заданном уровне [29]. Однако широкого практического применения такие источники излучения не нашли.

Другим способом уменьшения давления паров ртути при повышенных мощностях разряда в лампах низкого давления является применение в лампе не металлической ртути, а сплава ее с металлами - амальгамы. Первые опыты применения амальгамы в люминесцентных лампах проводились еще в конце 50-х годов двадцатого века [27]. Амальгама представляет собой твердый или жидкий раствор ртути в одном или нескольких металлах. Если раствор рассматривать как идеальный, тогда для определения давления паров ртути можно применить закон Рауля [30]:

(1-3-2)

Здесь тУ, - мольная доля компонента - давление насыщенного пара чистого вещества р1 - давление /-го компонента над раствором. Из уравнения (1.3.2) видно, что чем меньше мольная доля ртути в растворе, тем меньше давление насыщенного пара ртути будет над поверхностью раствора. Как правило, реальные растворы неидеальны. Для описания поведения таких растворов

23

удобно использовать величину, называемую активностью компонента. При этом активность заменяет в термодинамических выражениях концентрацию соответствующих компонентов. Для активности <яг- вводится коэффициент активности, определяемый следующим образом:

(1.3.3)

Величина активности зависит от выбора стандартного состояния. При исследовании термодинамических свойств металлических сплавов обычно за стандартное принимается состояние чистого компонента, для которого у= 1 при N¡=1 [30]. Сопоставление термодинамических характеристик и диаграмм состояния показывает, что для систем, компоненты которых образуют интерметаллиды и промежуточные фазы, характерны отрицательные отклонения от идеальности. В случае эвтектических систем проявляются положительные отклонения от закона Рауля [30].

Компоненты амальгамы в источнике излучения должны оказывать минимальное влияние на разряд и не взаимодействовать с элементами конструкции и стенкой лампы. Это достигается использованием металлов, парциальное давление которых над растворами намного ниже, чем давление ртути, а химическая активность при воздействии плазмы минимальна. Впервые применение в разрядных лампах получила кадмиевая амальгама, для которой был характерен невысокий КПД генерации УФ-излучения. В работе [31] было предложено использовать индиевую амальгаму вместо кадмиевой. Такая замена привела к заметному увеличению эффективности лампы.

Рис.1.7. Зависимость могцности УФ излучения от температуры колбы лампы.

Из рис. 1.7 видно, что при применении амальгамы оптимальное давление паров ртути достигается при более высоких температурах колбы лампы и, следовательно, при более высоких мощностях разряда. Таким образом, применяя амальгаму, можно поднять удельную электрическую мощность разряда до 2-3 Вт/см, сохранив при этом высокий КПД генерации УФ-излучения [32].

Использование многокомпонентных амальгам позволяет получить источники излучения с несколькими максимумами излучения при изменении температуры [31]. Вследствие сложностей расчета термодинамических функций многокомпонентных амальгам выбор амальгамы осуществляют, как правило, экспериментально.

ю

- -1.1% Нд -2.8% Нд

(в о.

О)

х

0.1

10.00

<е

(L.

Г

0.10

fit

/ W

/

■-10%Au

/

2%Au

--L-!........... , -................!............

50

200

50

100 Т(С)

150

100 150

Т(С)

а) б)

Рис. 1.8. Зависимость давления паров ртути от температуры над амальгамой, а) индиевая амальгама с содержанием ртути 1.1 и 2.8%. Т1 - амальгама в твердой фазе, Т2 - амальгама в жидкой фазе [31]. б) Bio.55Pbo.43 Ащ.о2 Hgo.oi амальгама и Bi0.s Pbo.4 Au0.i Hgo.oi амальгама [31].

200

Применяя различные составы амальгам, можно получить области стабилизации давления паров ртути в различных температурных диапазонах (рис. 1.8). Таким образом, для заданной мощности лампы можно подобрать соответствующий оптимальный состав амальгамы [32].

Применение амальгамы вместо металлической ртути в источниках излучения существенно улучшает экологические показатели лампового

производства и эксплуатационные свойства оборудования, в котором применяются амальгамные лампы [33, 34].

В работе [35] проведены исследования амальгамных источников УФ-излучения низкого давления с внутренним диаметром разрядной трубки 16.6 мм и получены зависимости электрических параметров и мощности УФ-излучения от тока разряда, мощности разряда, давления и состава инертного газа. Из рис. 1.9 видно, что при увеличении мощности разряда интенсивности УФ-излучения возрастает до определенного уровня, а затем начинает уменьшаться, а КПД линейно снижается.

170 160150 140 130 120 110 100 9080-

и, в / 1, А

Р , Вт разряда'

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

50

100

150

200

250

Рис. 1.9. Зависимость выхода излучения линии 253.7 нм и кпд ее выхода от мощности разряда.

Давление Hg 7мТорр, Ar- 3 Topp[35].

Рис. 1.10. Зависимость тока разряда и напряжения на разрядной трубке от

мощности разряда. Давление Hg 7 мТорр, Ar-3 Topp [35].

При увеличении мощности разряда ток разряда возрастает, а напряжения уменьшается, что иллюстрируется рис. 1.10. На рис. 1.11 приведены зависимости КПД генерации УФ-излучения от тока при различных давлениях инертного газа. Температура холодной зоны поддерживалась постоянной {Рщ = 7 мТорр). При уменьшении давления ИГ с 4.0 до 2.0 Topp при небольших токах (менее 1 А) КПД меняется незначительно. Однако при токах больше 2.5 А КПД меняется уже в несколько раз.

С уменьшением давления ИГ возрастает скорость диффузии заряженных частиц на стенку разрядной трубки и увеличивается электронная температура. Этим объясняется более медленный спад КПД генерации УФ-излучения в области больших токов при малых давлениях инертного газа.

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Рис. 1.11. Зависимости КПД разряда от тока при разных давлениях ИГ. Смесь Ne+Ar в соотношении 30/70 при различных давлениях. 1-4 Topp, 2-3 Topp, 3-2 Topp. PHg = 7мТорр.

В работе [35] также показано, что увеличение скорости гибели заряженных частиц на стенке может быть достигнуто применением более легких смесей инертных газов.

80- -1-'--Г..... 1 Р , Вт 264 ни' 1—1—1—■ 1 ■

70- -

60-

50- V V -

40- -

30- Ч/

-ш- 40% Ne

20- --А- 30% Ne V 20% Ne -

10- 1, А ■

п

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8

Рис.1.12. Зависимость мощности УФ-излучения от тока при различном содержании неона. рмеАг=3.5 Topp, амальгама Hgo.i 1щ.9

Заключение диссертации по теме «Светотехника», Свитнев, Сергей Александрович

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Разработана замкнутая математическая модель индукционного трубчатого источника УФ-излучения, позволяющая рассчитывать характеристики данного источника в широком диапазоне условий разряда.

2. Созданы экспериментальные лампы малых диаметров, показавшие хорошую эффективность. Так, для лампы диаметром 38 мм можно получить КПД генерации УФ-излучения с длиной волны 253.7 нм выше 33% при удельной мощности лампы около 375 Вт/м и давлении аргона 0.1 Topp.

3. Было установлено, что напряженность электрического поля максимальна у стенок трубки в месте расположения провода катушки и быстро спадает по сечению плазмы. В то же время, максимум объемной плотности мощности слегка сдвинут от стенок трубки к ее центру. Таким образом, основная «накачка» энергии ВЧ-поля в плазму индукционного разряда происходит вблизи стенок трубки.

4. При теоретическом исследовании закономерностей генерации вакуумного ультрафиолета с длиной волны 184.9 нм было установлено, что у выхода ВУФ-излучения наблюдаются 2 максимума при различных температурах холодной зоны (давлениях ртути). Для низкотемпературного максимума характерны значения КПД генерации ВУФ-излучения около 11%, для высокотемпературного максимума - около 13% при удельной мощности разряда 500 Вт/м и давлении аргона 0.1 Topp.

5. Установлено, что зависимость тока в индукторе от мощности лампы имеет минимум, а зависимость КПД генерации УФ-излучения - максимум при удельных мощностях около 180-220 Вт/м. Минимум тока и максимум КПД-УФ смещаются в область больших мощностей с уменьшением диаметра колбы, числа витков в обмотке индуктора и рабочей частоты. Во всех трех случаях КПД-УФ уменьшается.

6. Увеличение числа витков приводит к перекрыванию части излучающей поверхности лампы катушкой индуктора, что может снизить эффективность лампы. Таким образом, на практике целесообразно применять индукторы с количеством витков, не превышающим 10.

7. Увеличение рабочей частоты выше 10-15 МГц не представляется целесообразным из-за достаточно большого уровня электромагнитных помех, возникающих при работе лампы и сложности пускорегулирующего аппарата.

8. С уменьшением давления аргона с 0.6 до 0.1 Topp также наблюдается увеличение КПД генерации УФ-излучения обеих резонансных линий ртути. С другой стороны, уменьшение давления аргона приводит к увеличению пускового тока в индукторе и напряжения на катушке индуктора в момент зажигания индукционного разряда. Поэтому давление аргона в колбах индукционных ламп не целесообразно опускать ниже рАг -0.05 Topp.

9. Для ламп диаметрами 60-80 мм теоретически можно получить выход излучения резонансной линии ртути 253.7 нм до 50% от общей мощности при давлении аргона 0.1 Topp и удельной мощности лампы 160-170 Вт/м и до 40% при удельной мощности 350 Вт/м.

10. В лампах длиной 400 мм и диаметрами 32-38 мм при удельных мощностях менее 400 Вт/м плазма может не полностью заполнять объем колбы лампы. Длина плазменной области незначительно увеличивается с ростом давления аргона от 0.1 до 0.7 Topp при постоянной подводимой мощности. Этот эффект необходимо учитывать при выборе оптимальных длин и диаметров колб ламп.

11. При невозможности практического использования колб с диаметрами более 50 мм (такая ситуация наблюдается в установках, применяемых для обеззараживания воды) допустимо использование ламп с колбами меньших диаметров при незначительной потере эффективности. Экспериментально было получено, что КПД генерации излучения с длиной волны 253.7 нм в колбах диаметром 38 мм может достигать более 33% при удельной мощности лампы 370-400 Вт/м.

В заключение автор хотел бы поблагодарить своего научного руководителя, к.ф.-м.н., доцента Попова O.A. за помощь и поддержку при выполнении данной работы. Также автор выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедры Светотехники НИУ «МЭИ» и особенно профессору Решенову С.П. за помощь, оказанную при разработке замкнутой математической модели индукционной лампы.

Автор сердечно благодарит своих коллег, сотрудников ООО «СОВВ» Соколова Д.В., Алимова Е.А., Василяка JI.M., Васильева А.И., Дроздова Л.А., Дриго A.JL, Моисеенко Т.А., Собура Д.А., Хаецкого Д.П., Шункова Ю.Е., Исакова М.С., за помощь в создании экспериментальной установки, опытных образцов индукционных ламп, а также участие в обсуждении результатов диссертации и ценные советы.

Отдельную благодарность за неимоверное терпение и поддержку в трудную минуту автор хочет выразить своей супруге Дарье.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Свитнев, Сергей Александрович, 2012 год

5. Список литературы

1. Space environment (natural and artificial) - Process for determining solar irradiances. - ISO 21348:2007(E).

2. Hockberger, P. E. A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms // Photochem. Photobiol. - 2002. - V. 76, N. 6. - P. 561— 579.

3. Lyman, T. Victor Schumann // Astrophysical Journal. - 1914. - N.38. P. 1-4.

4. Ортенберг Ф. С., Трифонов Ю. М. Озон: взгляд из космоса (Космический мониторинг атмосферного озона). - М.: Знание. - 1990.

5. Справочная книга по светотехнике // Под ред. Айзенберга Ю.Б. -М.: Знак. - 2006.

6. Бутин В.М., Волков С.В., Костюченко С.В., Кудрявцев H.H., Якименко A.B. Обеззараживание питьевой воды ультрафиолетовым излучением // Водоснабжение и санитарная техника. 1996. №12. С. 7-10.

7. Васильев С.А., Волков С.В., Костюченко С.В. Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением. Особенности применения // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. № 1. С. 2-8.

8. Алыпин В.М., Волков С.В, Гильбух А.Я., Гречухин А.И., Костюченко С.В., Кудрявцев H.H., Якименко A.B. Достоинства и недостатки промышленных методов обеззараживания воды // Водоснабжение и санитарная техника. 1996. № 12. С. 2-7.

9. Bosh A. Comparative resistance of bacteriophages active against Bacteroides fragilis to inactivation by chlorination or ultraviolet radiation // Water Science and Technology. 1989. V. 21. № 3. P. 21-27.

10. Загорский M.A., Козлов M.H., Данилович В.А. Методы обеззараживания сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. № 2. С. 1-5.

11. Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды // Методические указания МУ 2.1.4.719-98.

12. Plants for the disinfection of water using ultraviolet radiation. Requirements and testing // ONORM M5873-1. Österreichisches. Normungsinstitut. A-1021. Wien. 2003.

13. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы // М. Энергия. 1977. С 344.

14. Фабрикант В. А. Механизм излучения газового разряда, в кн: Электронные и ионные приборы, под редакцией П.В. Тимофеева. Госэнергоиздат. 1941. С. 322.

15. Райзер Ю.П. Физика газового разряда // М. Наука. 1987. С. 592.

16. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света // М. Энергоатомиздат. 1991. С.720.

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Справочник Физические величины под редакцией Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. //М. Энергоатомиздат. 1991. С. 677. Клярфельд Б.Н. Положительный столб газового разряда и его использование для получения света, в кн: Электронные и ионные приборы, под редакцией П.В. Тимофеева // Госэнергоиздат. 1941. С. 322. Vriens L., Keijser R.A. and Ligthart F.A.S. Ionization processes in the positive column of the low-pressure Hg-Ar discharge // J.Appl.Phys. V.49. N7. 1978. P. 3807-3813.

Tingsheng Lin. Toshio Goto. Accounts of ionization mechanism in low-pressure Ar-Hg discharges // J. Applied Physics. 1991. V 1. 69. P. 8.

Сепман В.Ю., Шеверов B.A., Вуйнович В. Ассоциативная ионизация при парных столкновениях 63Р0 возбужденных атомов ртути // Оптика и Спектроскопия. 1984. Т. 56. Вып. 4. С. 591-595. Клярфельд Б.Н. Положительный столб газового разряда и его использование для получения света // Тр. Всесоюзного электротехнического института. Электронные и ионные приборы, под редакцией Тимофеева П.В. М. Госэнергоиздат. 1940. Вып. 41. С. 165235.

Пенкин Н.П., Редько Т.П. Сечение возбуждения и перемешивания

л

уровней 6 Ро.1.2 атома ртути электронным ударом // Оптика и спектроскопия. 1974. Т. 36. Вып. 3. С. 360.

Уваров Ф.А., Фабрикант В. А. Экспериментальное определение эффективной вероятности испускания фотонов атомами плазмы // Оптика и спектроскопия. 1965. Т. 18. Вып. 4. С. 562. A.C. Федоренко. Экспериментально-расчетные исследования характеристик положительного столба разряда и совершенствование люминесцентных ламп. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1980.

Каланов В.П., Костенко В.А, Тимофеев H.A. Исследование процессов заселения высоковозбужденных состояний атома ртути в плазме импульсно-периодического разряда в смеси паров ртути с аргоном // Оптика и спектроскопия. 1987.Т. 63. Вып. 6. С. 1202.

Г.Н. Рохлин. Дуговым источникам 200 лет // М. ВИГМА. 2001. С. 72.

Каланов В.П., Миленин В.М., Тимофеев H.A. Исследование заселенности резонансных уровней 63Pi и 61Pi атома ртути в плазме разряда в смеси паров ртути с аргоном // Оптика и спектроскопия. 1986. Т. 60. 4. С. 711.

Eliasson В., Kogelschatz U., Stin H J. New Trends in High Intensity UV Generation // EPA newsletter. 1988. №32. P. 29-40.

Козин Л.Ф., Нигметова Р.Ш., Дергачева М.Б. Термодинамика бинарных амальгамных систем // Алма-Ата: Наука. 1977. С. 231.

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

Lankhorst M.H.R., Niemann U. Amalgams for fluorescent lamps Part I: Thermodynamic design rules and limitations // Journal of Alloys and Compounds. 2000. V. 308. P. 280-289.

Lankhorst M.H.R., Keur W., van Hal H.A.M. Amalgams for fluorescent lamps Part II: The systems Bi-Pb-Hg and Bi-Pb-Au-Hg // Journal of Alloys and Compounds. 2000. V. 309. P. 188-196.

Godyak V., Shaffer J. Endura: a new high output electrodeless fluorescent light source // Symposium Proceedings of the 8th internatioal Symposium on the Science and Technology of Light Sources (LS-8). Germany. 1998. P. 14-23. Микаева С.А. Разработка и исследование технологии производства компактных люминесцентных ламп информационно-измерительных приборов и систем // Диссертация на соискание уч. ст. д.т.н. М. 2007. С. 292.

Кузьменко М.Е. Экспериментальные исследования разряда в парах ртути и инертных газов и разработка мощного источника УФ излучения // Диссертация на соискание уч. ст. к.ф.м.н. М. 2000. С. 142. Литвинов B.C. Оптимизация источников света массового применения // М.: Энергоатомиздат. 1999. С. 432. UK Patent Application GB 2124019 А.

Литвинов B.C. Методы расчета и оптимизация параметров источников света широкого применения // Диссертация на соискание уч. ст. д.т.н. М., МЭИ. 1983.

V.D. Hildenbrand, C.J.M. Denissen, L.M. Geerdings and others. Interactions of thin oxide films with a low-pressure mercury discharge // Thin solid films. 2000. 371. P. 295-302.

Дроздов Л.А. Повышение мощности и ресурса высокоэффективных источников ультрафиолетового излучения с дуговым разрядом низкого давления // Диссертация на соискание уч. ст. к.т.н. М., 2012. С. 148. Voronov A., Arnold Е. and Roth Е. 2nd int. Congr. Ultraviolet Technology Viena 2003, PS2.

Krasnochub A. V., Vasiliev A. I. J.Phys. Qualitative model of operating mechanism of protecting coating for low pressure lamp D: Appl. Phys. 39, 2006, 1378-1383.

HITTORF W. Ueber die Elekticititatsleitung der Case // Ann. Phys. 1884. 21. P. 137-139.

THOMSON J.J. On the discharge of electricity through exhausted tubes without electrodes // Phil. Mag. 1891. 32. P. 321-336,445-464.

Wharmby D.O. Science, Measurement and Technology // IEE Proceedings A. 1993. V. 140. Issue 6. P. 465 - 473.

Anderson J. M. US Patent N 3500118. 1970.

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

G.G. Lister and M. Cox. Modelling of inductively coupled discharges with internal and external coils // Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V.l. P. 6773.

J.W. Denneman. Determination of electromagnetic properties of low-pressure electrodeless inductive discharges // J. Phys.D: Appl. Phys. 1990. vol. 23. P. 293 - 298.

Y. Watanabe, H. Miyazaki. Analysis of the inductively-coupled electrodeless discharge by the equivalent circuit // Proc. 8th Int'l. Symp. Sci. Technol. Light Sources. 1998. Greifswald. Germany. П 225-226.

Белл B.E., Блум А.Л., Линч E. Спектральные лампы, наполненные парами щелочных металлов // Приборы для научных исследований. 1961. № 6. С.79-84.

Высокочастотные безэлектродные источники света // Под ред. Э. Краулиня, С. Путиня, А. Скудра. Латвийский университет. 1992. Рига.

Попов О. А. Исследование и разработка индукционных люминесцентных источников света на частотах 100-15000 кГц // Диссертация на соискание уч. ст. д.т.н. М., МЭИ. 2012.

S.A. Svitnev and О.А. Popov. Plasma parameters radial and azimuthal distributions in an RF discharge excited with a inducion coil disposed on tube walls in the axial direction // Light and Engineering. 2011. № 1. P. 79-82.

О.А. Попов. Индукционные источники света// Учебное пособие. Изд. МЭИ. М. 2010. 64 с.

М. Shinomiya, М. Toho, and М. Kawaguchi. Impedance characteristics and its equivalent circuit of the electrodeless lamp excited by the air-cored coil // Proc. 6th Int'l Symp. Sci. Technol. Light Sources. 1922. Budapest. P. 333 -334.

M. Shinomiya, K. Kobayashi, M. Higashikawa, S. Ukegawa, J. Matsuura, and K. Tanigawa. Development of the electrodeless fluorescent lamp // J. Ilium. Eng. Soc., 1991, v. 20. №1. P. 44-49.

S. Ukegawa, M. Shinomiya, M. Higashikawa, T. Uetsuki, K. Kobayashi. Electrodeless discharge lamp //US Patent 5,013,975. May 7,1991. О.А. Попов. Индукционный источник света с двумя симметричными контурами возбуждения, работающий на частотах 100-400 кГц и мощностях 300-450 Вт // Светотехника. 2009. № 6. С. 48-49. V.A. Godyak, В. Alexandrovich, R.B. Piejak, Е. Statnic. High Intensity Electrodeless Low Pressure Light Source Driven by a Transformer Core Arrangement // US Patent 5,834,905. Nov.10, 1998.

J. Shaffer and V.A. Godyak. The Development of low frequency high output electrodeless fluorescent lamp // J. Ill.Eng. Soc.. Winter 1999. P. 142.

C.B. Гвоздев-Карелин. Особенности и примеры применения безэлектродной люминесцентной лампы Endura фирмы 08гат//Светотехника, 2006. № 3.

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

M.R. Kling. Electrodeless lamp having thermal bridge between transformer core and amalgam // US Patent 6,175,197 Bl. Jan. 16, 2001. M.B. Исупов, И.М. Уланов, А.Ю. Литвннцев, К.Н. Колмаков. Экспериментальное исследование энергетических характеристик индукционного разряда трансформаторного типа в парах ртути // Теплофизика и Аэромеханика. 2002. Т.9. С. 151-161. М.В. Исупов, С.В. Кротов, А.Ю. Литвинцев, И.М. Уланов. Индукционная ультрафиолетовая лампа// Светотехника. 2007. № 5. С.37-40. Townsend J.S. and R.H. Donaldson. Electrodeless discharges // Phil. Mag. 1928. vol. 5.P.178.

O.A. Попов. Эффективный источник света на индуктивном бесферритном разряде на частотах 300-3000 кГц // Журнал Технической Физики. 2007. № 6, С. 74-80.

O.A. Popov, J. Maya. Characteristics of electrodeless ferrite-free fluorescent lamp operated at frequencies of 1- 15 MHz // Plasma Sources Sci. Technol. 2000, 9, P. 227-231.

Дж. Майа, O.A. Попов, P.T. Чандлер. Индукционная компактная люминесцентная лампа с частотой возбуждения 100-200 кГц // Светотехника. 2007. № 1. С. 32-36. О.А.Попов, Р.Т. Чандлер. Индуктивный источник света трансформаторного типа на частотах 150-400 кГц мощностью 200 - 500 Вт // Теплофизика высоких температур. 2007. № 4. С. 795-800.

O.A. Popov, J. Ravi, R. Chandler, E. Shapiro. High light output electrodeless fluorescent closed-loop lamp // US Patent 6,522,085 B2. Feb. 18, 2003. B.A. Годяк, O.A. Попов, A.X. Ганна. Резонансные ВЧ-разряды // Физика Плазмы. 1979. №3. С. 65-67.

В.А. Годяк, О.А. Попов, А.Х. Ганна. Влияние слоев пространственного заряда у ВЧ электродов на электродинамические характеристики ВЧ-разряда // Радиотехника и Электроника. 1976. 21. С. 2639 - 2641.

O.A. Popov, V.A. Godyak. RF Power Dissipated in Low Pressure RF Discharge Plasmas. J. Appl. Phys. 1985. 57. P. 53 - 58. O.A. Popov, J.Maya, E.K.Shapiro. Electrodeless Fluorescent Lamp // US Patent 5,621,266. Apr. 15, 1997.

O.A. Popov, J. Maya, K. Kobayashi, E.K. Shapiro. Electrodeless Inductively-coupled Fluorescent Lamp with Improved Cavity and Tubulation // US Patent 5,723,947. Mar. 1998.

K. Chandrakar. The transition from the first to the second stage of the ring Discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 1978. vol. 11, P. 1809-1813. S.Kubota. Study of breakdown of gases by purely azimuthal electric fields // J. Phys. Soc. Japan. 1962. vol.17. P. 1314.

Thomson J.J. Electrodeless discharges through gases // Phil. Mag. 1927. vol. 4. P.1128.

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

Tykocinski-Tykociner J. Measurement of current in electrodeless discharges by means of frequency variations // Phil. Mag. 1932. vol.13. P.953. Hans U. Eckert. Induction Plasmas at low frequencies // AIAA Journal. 1971. vol.9. P. 1452.

Hans U. Eckert. // J. Appl. Phys. 1962. vol. 33, 6 p. 2780.

J.M. Anderson. Electrodeless fluorescent lamps exited by solenoidal electric Fields//J. Illum.Eng. Soc. 1969. vol. 64. P.236-241.

A.M. Троицкий и Д.Д. Юшков. Определение параметров безэлектродного разряда// Светотехника, 1984, №11. С. 6.

D.O. Wharmby, S-A. El-Hamansy. Low power compact electrodeless lamp // Proc. 6th Int'l Symp. Sci. Technol. Light Sources. 1992. Budapest. P. 26-29. M.B. Исупов, И.М. Уланов. Анализ параметров плазмы индукционного разряда трансформаторного типа в неоне // Теплофизика высоких температур. 2005. т.43. №2. С. 181-187.

R.B. Piejak, V.A. Godyak, В.М. Alexandrovich. A Simple Analyses of an Inductive RF Discharge // Plasma Sources Sci.Technol. 1992. № 1. C. 179 -185.

Э.М. Гутцайт. Безэлектродные источники света, использующие электромагнитную энергию высоких частот // Издательство МЭИ. М. 2003.

И.М. Уланов, К.Н. Колмаков, М.В. Усупов, А.Ю. Литвинцев. Исследование индукционных разрядов трансформаторного типа с целью создания плазмохимических реакторов и новых источников света // Материалы семинаров-школ молодых ученых, студентов и аспирантов2002/2003 г.г. Петрозаводск. 2004. С. 177-189.

V.A. Godyak, R.B. Piejak, В.М. Alexandrovich. Electron energy distribution function measurements and plasma parameters in inductively coupled argon plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 1994, 3, P. 169-173.

L.R. Nerone, A.H. Quereshi. Mathematical modelling and optimization of the electrodeless low-pressure discharge system // Proc. 24th Ann. IEEE Power Electronics Specialists Conf.. 1993. Seattle. WA. П. 509-514. G.M. Petrov, J.L. Giuliani. Inhomogeneous model of an Ar-Hg direct current column discharge // Journal of Applied Physics. Vol. 94 №1 (2003), p. 62-74.

Ю.Ф. Калязин, A.M. Кокинов, M.A. Мальков. Математическая модель расчета характеристик ртутно-газового разряда низкого давления // «Светотехника», 2003, №2, стр. 2-5.

И. Мак-Даниель. Процессы столкновений в ионизированных газах // М.: Мир, 1967, С.832.

B.А. Говорков. Электрические и магнитные поля // М.: Энергия, 1968, С. 487.

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

С.П. Решенов. Генерация и перенос излучения в плазе. Учебное пособие по курсу «Физические основы источников света» // М.: изд. МЭИ, 1989, С.118.

P. wan de Weijer, R.M.M. Cremers. Determination of the effective radiative lifetime of the 63PX atomic mercury level in low-pressure mercury discharges. // Journal of Applied Physics. Vol. 57, №3 (1985), p. 672-677. E.B. Мануйлова. Исследование влияния сверхтонкой структуры атомов ртути на выход излучения. Диссертация на соискание степени магистра техники и технологии // М.: МЭИ, 2008.

Матвеев B.C. Приближенные представления коэффициента поглощения и эквивалентной ширины линий с фойгтовским профилем // ЖПС, T.XVI,Bbin.26 1972.

Каланов В.П., Федоренко А.С. О сложной структуре спектральных линий атомов ртути // Тр. ВНИИИС, Вып.22, С.60-70, 1990. Свитнев С.А. Кинетика элементарных процессов в столбе разряда люминесцентной лампы. Диссертация на соискание степени магистра техники и технологии // М.: МЭИ, 2009.

Биберман Л.М. К теории диффузионного резонансного излучения // ЖЭТФ. - 1947. - Т. 17. - С. 623.

Т. Holstein. Imprisonment of resonance radiation in gases // Phys. Rev., 1947, Vol. 72, №10, p. 12; 1951, Vol. 83, №6, p. 11-59; 1952, Vol. 85, №6, p. 9-85. Л.М. Биберман, B.C. Воробьев, И.Т. Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы //М., Наука, 1982. С.П. Решенов. Влияние сверхтонкой структуры линий на перенос резонансного излучения в ртутном разряде низкого давления // Светотехника, 2008, №4, С.34-38.

Нае June Lee, J. P. Verboncoeur. Radiation transport coupled particle-in-cell simulation of low-pressure inductive discharges // PHYSICS OF PLASMAS, VOL.9, №11, 2002, P.4805-4811.

J.L. Giuliani, G.M. Petrov, J.P. Apruzese, J. Davis. Non-local radiation transport via coupling constants for the radially inhomogeneous Hg-Ar positive column // Plasma Sources Sci. Technol. 14 (2005) P.236-249.

Yu. Golubovskii, S. Gorchakov, D. Loffhagen, A.N. Timofeev, D. Uhrlandt. Modelling of transport phenomena in low-pressure plasmas // 28th ICPIG, July 15-20, 2007, Prague, Czech Republic.

Yu. B. Golubovskii, S. Gorchakov, A.N. Timofeev, D. Loffhagen, D. Uhrlandt. On the radiation trapping problem in a finite cylinder: Spatial distribution of resonance and metastable atoms 28th ICPIG, July 15-20, 2007, Prague, Czech Republic.

Жуков М.Ф., Девятов Б.Н., Новиков О.Я. Теория термической электродуговой плазмы. Часть 2. Нестационарные процессы и

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

радиационный теплообмен в термической плазме // Новосиб.: Наука, 1987, С.287.

Post Н.А. Radiative transport at the 184.9-nm Hg resonance line. I. Experiment and theory // Physical Review A,Vol.33.1986. P.2003-2016. U. Kortshagen, C. Busch, L.D. Tsendin. On simplifying approaches to the solution of the Boltzmann equation in spatially inhomogeneous plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 1996. № 5. p.1-17.

B.M. Миленин, Н.А. Тимофеев. Плазма газоразрядных источников света низкого давления // Л.: изд. Ленинградского университета. 1991. Л.Д. Цендин. Нелокальная кинетика электронов в газоразрядной плазме // Успехи физических наук, Том 180, № 2, Февраль 2010 г . О. V. Polomarov, С. Е. Theodosiou, I. D. Kaganovich, D. J. Economou, В. N. Ramamurthi. Self-Consistent Modeling of Nonlocal Inductively Coupled Plasmas // IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 34, NO. 3, JUNE 2006.

M.J. Hartig, Mark J. Kushner Radially dependent solutions of Boltzmann's equation in low-temperature plasmas using a modified two-term expansion // J. Appl. Phys., Vol. 73, No. 3, 1 February 1993, P.1080-1090. И. Шкаровский, Т. Джонстон, M. Бачинский. Кинетика частиц плазмы // М.: Атомиздат, 1969.

Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. Под редакцией Б.Я. Мойжеса и Г.Е. Пикуса // М.: Наука. 1973.

Н.А. Горбунов, А.С. Мельников. Влияние молекулярного азота на подвижность электронов в смеси аргона и оптически возбужденных паров натрия // «Журнал технической физики», 1999, том 69, вып. 4, стр. 14-19.

A.А. Радциг, Б.М. Смирнов. Параметры атомов и атомных ионов, справочник//М.: Энергоатомиздат, 1986.

Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. Свойства газов и жидкостей // Л.: Химия, 1982, С.592.

Радиационный теплоперенос в высокотемпературных газах. Под ред. Р.И.Солоухина//М.: Энергоатомиздат, 1984, 256с.

B.Ф. Формалев, Д.Л. Ревизников. Численные методы //М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, 398с.

Собур Д.А. Исследование генерации вакуумного ультрафиолетового излучения ртутным разрядом низкого давления // Диссертация на соискание уч. ст. к.ф.-м.н. М., МФТИ, 2011.

Попов О.А., Свитнев С.А. Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда, возбужденного катушкой индуктивности, расположенной по периметру продольного сечения разрядной трубки // Светотехника. 2010. 3. С. 63-65.

125. Свитнев С.А., Попов O.A. Расчет функции распределения электронов по энергиям в стационарном разряде низкого давления // Вестник МЭИ. 2012. 3. С. 100-105.

126. Svitnev S.A. and Popov O.A. Plasma parameters spatial distribution of low pressure ferrite-free inductive discharge // Light and Engineering. 2011. 1. P. 79-82.

127. Свитнев C.A., Попов O.A. Пространственное распределение электрического поля и удельной мощности в плазме индукционного разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2008, С.24-28.

128. Свитнев С.А., Решенов С.П. Развитие математической модели столба разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2009, С.52-53.

129. Свитнев С.А., Решенов С.П. О расчете функции распределения электронов по энергиям в столбе разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. 15-ой международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва,

2009, С.171-172.

130. Свитнев С.А., Решенов С.П. Различие равновесной и реальной функций распределения электронов по энергиям в столбе разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. 16-ой международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва,

2010, С.212-213.

131. Свитнев С.А., Решенов С.П. Математическая модель столба разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. VII международн. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Саранск, Ноябрь 2009.