Введение к работе
I. Актуальность работы
В настоящее время во всем мире происходит стремительный рост отходов производства и потребления (промышленных, медицинских, биологических и других), что обуславливает необходимость их уничтожения или утилизации. Традиционные методы, используемые при этом (например, сжигание), сопровождаются существенным воздействием на окружающую среду, вызванным увеличением в атмосфере концентраций химически активных газовых компонентов техногенного происхождения. Причем изменение состава атмосферы происходит практически по всей ее толще. Поэтому во всех промышленно развитых странах мира с каждым годом все большее внимание уделяется поиску наиболее оптимальных научно-технических и технологических решений этой сложной проблемы.
Одним из наиболее перспективных путей уничтожения отходов на современном этапе развития науки и техники является применение плазменных технологий. Использование на практике установок по уничтожению отходов, основанных на применении таких технологий, позволяет эффективно и наиболее безопасно уничтожать вредные и токсичные вещества различного рода.
В настоящее время в области создания электрофизических установок, использующих плазмохимические технологии, наиболее важными проблемами являются задачи улучшения и оптимизации их основных технических и эксплуатационных характеристик.
К важнейшим проблемам, которые необходимо учитывать при разработке, создании и эксплуатации электрофизических установок, в первую очередь относятся повышение эффективности уничтожения отходов и общего коэффициента полезного действия. Также необходимо решать целый ряд научно-технических задач, направленных на снижение потребления электроэнергии и расходных веществ, продление срока службы, увеличение производительности, повышение безопасности, разработку методов и аппаратуры для контроля изменения состава атмосферы.
Актуальность представленной работы во многом определяется необходимостью экспериментальных исследований основных характеристик низкотемпературной плазмы, создаваемой плазмотронами в электрофизических установках, таких как пространственное распределение плотности, температуры, химического состава и других параметров.
Исследование свойств плазменных каналов бесселевых пучков также является важной и актуальной задачей. Уникальные свойства плазменных каналов бесселевых пучков открывают возможности их применений для целого ряда новых современных технологий. В связи с этим большое значение имеет исследование таких плазменных каналов с использованием разных методов и аппаратуры регистрации изображений и спектров оптического и рентгеновского излучения, генерируемого в этих каналах.
Для контроля изменения состава атмосферы весьма актуальной является разработка и создание мобильных спектрофотометрических комплексов для дистанционного зондирования ее химического состава, в том числе диагностики состояния верхних слоев атмосферы которая, вследствие своей разреженности, очень чувствительно реагирует на изменение своего состава.
Цель работы
Основные цели представленной диссертационной работы:
разработка экспериментального метода исследования характеристик низкотемпературной плазмы, основанного на принципе синхронной регистрации спектров собственного излучения и изображений с последующим анализом зарегистрированных параметров;
разработка и реализация схем экспериментов для регистрации основных физических и химических процессов, протекающих в низкотемпературной плазме, и измерение их характеристик;
- разработка и создание комплекса аппаратуры для практической
реализации нового метода диагностики низкотемпературной плазмы,
генерируемой плазматронами в электрофизических установках и определение
оптимальных параметров отдельных компонент регистрирующего комплекса;
- разработка и создание мобильного спектрофотометрического комплекса,
позволяющего осуществлять регистрацию спектров излучения молекул и атомов
различных газовых компонент, а также регистрацию различных оптических
явлений в верхней атмосфере в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Научная новизна
В диссертационной работе было впервые предложено исследовать характеристики плазмы, генерируемой плазмотронами в электрофизических установках, путем синхронной регистрации спектров собственного излучения и изображений плазмы. Новый метод впервые позволил определять спектральные характеристики в зависимости от координат.
На основе выбранных моделей приборов и оборудования и разработанных схем экспериментов были созданы уникальные комплексы научно-исследовательской аппаратуры на базе автоматизированных спектрографов, многоэлементных фотодетекторов и высокоскоростных цифровых камер для синхронной регистрации спектров излучения и оптических изображений низкотемпературной плазмы.
Разработаны и изготовлены мобильные спектрофотометрические комплексы для проведения лабораторных и натурных измерений яркостных и спектральных характеристик светящихся объектов в верхней атмосфере.
С помощью мобильного спектрофотометрического комплекса впервые получено спектральное распределение интенсивности собственного излучения верхней атмосферы Земли в абсолютных единицах для области спектра 620*1050 нм со спектральным разрешением 0,4 нм, которое может служить современной версией атласа излучения среднеширотной ночной верхней атмосферы и позволяет производить оценку абсолютной интенсивности излучения в заданных узких интервалах спектра.
Научная и практическая значимость
На сегодняшний день весьма остро стоит задача улучшения и оптимизации технико-экономических параметров электрофизических установок, предназначенных для переработки отходов. Для повышения эффективности уничтожения отходов, уменьшения выбросов вредных веществ, снижения потребления электроэнергии необходимо наиболее полно экспериментально исследовать процессы протекающие в плазме.
Для этой цели автором был предложен новый метод диагностики плазмы, состоящий в синхронной регистрации спектров собственного излучения и изображений плазмы, разработаны схемы экспериментов и спроектирован комплекс аппаратуры, реализующей данный метод.
С помощью созданного экспериментального комплекса проводились исследования низкотемпературной плазмы генерируемой плазмотронами в электрофизических установках, предназначенных для уничтожения отходов различного вида, в том числе опасных и высокотоксичных. Анализ полученных данных позволяет находить оптимальные режимы работы плазмохимических реакторов, оптимальное количество и пространственное расположение плазмотронов в разрабатываемых реакторах.
Одно из основных свойств плазменных каналов бесселевых пучков,
являющееся весьма перспективным для их применения в новых технологиях, связано с генерацией активной среды лазера в диапазоне вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена.
Результаты проведенных спектрофотометрических исследований могут быть использованы для разработки модели фоновой обстановки в верхних слоях атмосферы при воздействии на нее различных техногенных средств.
В процессе работы были выбраны наиболее оптимальные модели научной аппаратуры предназначенной как для регистрации спектров плазмы, генерируемой плазмотронами, так и для регистрации спектров собственного свечения верхней атмосферы, а также разработаны экспериментальные измерительные схемы для соответствующих установок.
Защищаемые положения:
- Впервые предложенный экспериментальный метод исследования
характеристик низкотемпературной плазмы, основанный на принципе
синхронной регистрации спектров собственного излучения и изображений с
последующим анализом зарегистрированных параметров, позволил определять
спектральные характеристики в зависимости от пространственно-временных
координат и выявлять возможную корреляцию между спектрами и деталями
оптического изображения.
- Разработанные схемы экспериментов и созданный комплекс аппаратуры
для синхронной регистрации оптических спектров собственного излучения и
изображений плазмы могут эффективно использоваться для исследования
низкотемпературной плазмы, генерируемой плазматронами в электро
физических установках.
Предложенная четырехканальная схема эксперимента и созданная экспериментальная установка позволяют проводить регистрацию оптических изображений, а также оптических и рентгеновских спектров излучения, генерируемого в плазменных каналах оптического пробоя в бесселевых пучках, получаемых при фокусировке импульсного лазерного излучения коноидными системами типа аксикон.
Разработанные и созданные передвижные спектрофотометрические измерительные комплексы позволяют дистанционно и в реальном масштабе времени исследовать состав верхней атмосферы и его вариаций и определять содержание основных загрязняющих примесей, обусловленных техногенным воздействием на различных высотах в разное время суток.
- Впервые полученное спектральное распределение интенсивности собственного излучения верхней атмосферы Земли в абсолютных единицах для области спектра 620-1050 нм со спектральным разрешением 0,4 нм может служить современной версией атласа излучения среднеширотной ночной верхней атмосферы, а зарегистрированные спектры позволяют производить оценку абсолютной интенсивности излучения.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы и разработанные автором экспериментально-измерительные комплексы для исследований газовых сред и низкотемпературной плазмы на основе автоматизированных спектрографов, многоэлементных фотодетекторов и высокоскоростных цифровых камер и других компонент были использованы в Учреждениях Российской академии наук: Институте электрофизики и электроэнергетики РАН, Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, Объединенном институте высоких температур РАН, Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН, Институте автоматики и процессов управления ДвО РАН, Научном центре волновых исследований ИОФ РАН, Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, а также Институте прикладной геофизики им. Е.К. Федорова Росгидромета, Научно-производственном объединении «Астрофизика», Российском Федеральном Ядерном Центре «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики».
Личный вклад автора
Все основные результаты диссертационной работы получены лично автором или при его непосредственном участии.
Автор принимал непосредственное участие в постановке конкретных задач исследований, связанных с реализацией нового экспериментального метода синхронной регистрации спектров излучения и изображений.
При непосредственном участии автора диссертации были разработаны методики измерений и схемы экспериментов, разработаны и созданы комплексы аппаратуры для практической реализации этого метода для различных применений, определены оптимальные параметры отдельных компонент регистрирующих комплексов.
Автор принимал непосредственное участие в обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.
Апробация работы и научные публикации
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Учреждений Российской академии наук Института электрофизики и электроэнергетики РАН и Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, а также докладывались на следующих всероссийских и международных симпозиумах и конференциях: PSMOS 2002 International Symposium on Dynamics and Chemistry of the MLT Region (Foz do Iguacu, Brazil, October 4-8, 2002); European Geosciences Union, 1st General Assembly (Nice, France, 25-30 April 2004); 12th International Congress of Plasma Physics (Nice, France, October 25-29, 2004); Second and Third international symposiums on non-equilibrium processes, plasma, combustion, and atmospheric phenomena (Sochi, Russia, 2005, 2007); 33rd Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods (Kiruna, Sweden, August 28 - September 1, 2006); Всероссийская конференция «Развитие системы мониторинга состава атмосферы РСМСА» (Москва, Россия, 16-18 октября, 2007).
По теме диссертации опубликована 21 научная работа, из них 5 в рецензируемых журналах по списку ВАК.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 126 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 35 рисунков по тексту и список литературы, который состоит из 130 ссылок на публикации отечественных и зарубежных авторов.
