Содержание к диссертации
Введение
1. Оптическое излучения газового разряда 12
1.1. Эмиссия газового разряда. Общие задачи диагностики 12
1.2. Приближение равновесного излучения 16
1.2.1. Равновесная плазма 16
1.2.2.Локальное термодинамическое равновесие 20
1.2.3. Частичное локальное термодинамическое равновесие 22
1.2.4. Планковское излучение линейчатого спектра
1.3. Молекулы ртути. Линии излучения и поглощения молекулы ртути. Основное электронное состояние молекулы ртути t 27
1.4. Требования к излучателю
1.4.1. Режимы излучения 3 0
1.4.2. Измерения энергии излучения 32
1.4.3. Установка для измерения энергии излучения 33
1.5. Задачи настоящей работы 3 6
2. Исследования закрытой ртутной бактерицидной лампы низкого давления 37
2.1. Экспериментальная техника
2.1.1. Описание установки и модели излучателя 3 7
2.2. Результаты исследований
2.2.1. Режим работы лампы 41
2.2.2. Работа лампы на переменном токе в режиме дугового разряда 42
2.3. Излучение резонансной линии и основных линий атома ртути 44
2.4. Воздействие тока газоразрядной лампы на характеристик. Планковское распределение 47
2.5 Определение температуры плазмы
2.5.1. Погрешности измерений 49
2.5.2. Результаты измерений температуры плазмы 51
2.5.3. Корреляция температуры плазмы и плотности тока лампы 53
2.6. Роль светонепроницаемой полости в установлении равновесного излуче
ния газоразрядной лампы 54
2.6.1. Влияние оптической плотности в установлении равновесного излучения газоразрядной лампы 55
2.6.2. Влияние коэффициента отражения стенки полости в установлении равновесного излучения
2.7. Воздействие оптического излучения на среды. Поглощение потока излучения 62
2.8. Регистрация энергии излучения 65
2.9. Дозировка поглощаемого оптического излучения 67
Выводы к главе 2 68
3. Молекулы ртути в плазме ртутной газоразрядной лампы низкого давления 70
3.1 .Эмиссионные спектры ртутной газоразрядной лампы 70
3.2.Излучение молекулы 76
3.2.1 .Серия линий в окрестности 302 нм 76
3.2.2.Серия линий в окрестности 265 нм 78
3.3.Схема электронных термов молекулы 78
3.4. Поглощение молекулы 81
3.4.1. Контур линии 253,65 нм 82
3.4.2. Контуры линий 404,65 нм, 435,83 нм и 546,07 нм
3.5. Роль молекул ртути в формировании излучения газоразрядной лампы 83
3.6. Определение концентрации молекул ртути 86
Выводы к главе 3 87
4. Физические процессы дугового разряда ртутной лампы низкого давления в составе планковского излучателя 90
4.1. Исследование линий планковского излучателя 90
4.2. Ширина планковского контура линии атома ртути 93
4.3. Стабилизация интегральной мощности излучения лампы закрытого типа 97
4.4. Регистрация излучения закрытой ртутной газоразрядной лампы низкого давления 101
4.5. Расчет излучения газоразрядной лампы закрытого типа 103 Выводы к главе 4 106
Заключение 107
Список литературы 109
- Равновесная плазма
- Излучение резонансной линии и основных линий атома ртути
- Воздействие оптического излучения на среды. Поглощение потока излучения
- Роль молекул ртути в формировании излучения газоразрядной лампы
Введение к работе
Актуальность темы. Газоразрядные ртутные лампы низкого давления являются простыми и эффективными источниками ультрафиолетового излучения. Известно, что в газоразрядной кварцевой ртутной лампе до 80% лучистой энергии сосредоточено в спектральной линии при Х= 253.65 нм. Излучение с такой длиной волны является губительным для большинства микроорганизмов, поэтому открытые ртутные лампы эффективно используются для стерилизации помещений, в лечебных учреждениях.
Дальнейшее исследование биофизического воздействия излучения с этой длиной волны на организм человека привело к расширению его применения в лечебных целях. В частности, оно используется для экстракорпорального облучения крови и для внутрисосу диетой фото гемотерапии. Для этих целей разработаны и широко применяются промышленные газоразрядные ртутные лампы, установленные, по соображениям безопасной эксплуатации, в закрытом, непрозрачном металлическом корпусе (аппараты типа «Изольда», «ОВР» и другие). В таких лампах, по сравнению с лампами открытого типа, неизбежно изменяются термодинамические характеристики источника излучения -газоразрядной плазмы. Это может привести к существенному изменению ее спектральных характеристик излучения. Однако в настоящее время нет сведений о спектральных измерениях ламп закрытого типа, по-видимому считается, что спектр излучения этих ламп существенно не отличается от ламп открытого типа. Поэтому, с одной стороны, результаты облучения такой лампой могут определяться не только и не столько УФ-компонентом, а потоком всей лучистой энергии. С другой стороны, смещение длины волны максимума воздействующего излучения относительно физического центра спектральной линии способно изменить сам эффект воздействия на облучаемое вещество, особенно, если эффект является результатом резонансного воздействия.
Кроме того, остаются нерешенными задачи стабилизации интенсивности излучения ламп и контроля поглощенной биологической жидкостью или протекающей в сосудах кровью дозы излучения.
Вызванный в последние годы интерес к повышению точности и повторяемости результатов воздействия УФ-излучения на объекты и среды различной природы связано с исследованием антропогенного воздействия на человека и на окружающую среду, а также с расширением круга использования известных и вновь создаваемых источников УФ-излучения в медицине, биологии, минералогии, промышленности и сельском хозяйстве.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании спектрального состава и процессов формирования контуров спектральных линий излучения ртути в промышленных газоразрядных ртутных лампах, закрытых светонепроницаемой полостью, и вызвана необходимостью научного обоснования использования этих ламп для медицинских целей и создания дозаторов УФ излучения.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
применение эмиссионной спектроскопии для исследования аномально тлеющего и дугового разрядов постоянного и переменного тока закрытой ртутной бактерицидной лампы, для изучения процессов и механизмов формирования контуров излучения в широком диапазоне частот;
использование современного математического аппарата для анализа спектрально-кинетических и температурных свойств низкотемпературной плазмы;
определение диапазона физических условий, в которых обеспечивается стабильность спектральных характеристик;
исследование возможности построения дозатора УФ излучения ртутных газоразрядных ламп низкого давления, находящихся в замкнутой, непрозрачной полости.
Используемые методы исследований. В работе использовался комплексный подход, сочетающий известные экспериментальные методы регистрации оптических спектров излучения и методы анализа, применяемые для интерпретации результатов. При измерениях токов и напряжений использовались классические методы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
вследствие многократного прохождения излучения сквозь плазму дуги распределение интенсивностей спектральных линий ртутной дуговой лампы низкого давления (6-^6,75)-10- Торр, находящейся в замкнутой непрозрачной полости, соответствует закону излучения Планка;
при Планковском распределении интенсивностей спектральных линий стабильный температурный режим работы лампы обеспечивает постоянство средней спектральной мощности излучения лампы;
в спектре ртутной лампы дугового и аномально тлеющего разряда низкого давления (6-^6,75)-10- Торр имеют место линии поглощения с длинами волн 253.13, 253.29, 253.53, 253.79, 254.20 нм и излучения 253.83, 264.80, 264.96, 265.11, 279.89, 288.82, 301.5 и 301.95 нм молекулы ртути Hg2;
спектр излучения ртутной газоразрядной лампы в области резонансной линии атома ртути 253,65 нм является наложением линии излучения атома и полос поглощения и излучения молекулы ртути Hg2,
вследствие выполнения закона Стефана-Больцмана в закрытой ртутной бактерицидной лампе низкого давления (6^-6,75)-10- Торр проявляется эффект стабилизации интегральной мощности излучения на уровне 5-6% при изменении потребляемой мощности на 35%.
Достоверность научных положений и других результатов
диссертационной работы обеспечивается тем, что эксперименты проводились на аттестованной аппаратуре. Полученные экспериментальные результаты хорошо воспроизводятся, не противоречат результатам других авторов [3*-7*] и теоретическим представлениям.
Научная новизна защищаемых положений и других результатов
состоит в следующем:
Впервые проведены детальные спектральные исследования плазмы ртутной дуговой лампы закрытого типа. Обнаружен линейчатый спектр атомов ртути, интенсивности линий которого соответствуют закону излучения Планка. Получены соотношения между эффективной толщиной излучающего столба и коэффициентом отражения внутренней стенки полости, при которых устанавливается планковское распределение. Показано, что дуговые ртутные лампы, помещенные в светонепроницае- мую полость, становятся Планковским излучателем видимого света, в котором резонансная УФ линия X = 253,65нм не является доминирующей.
На основе впервые обнаруженных линий излучения и поглощения молекулы ртути построена схема потенциальных кривых нижних возбужденных состояний молекулы ртути Hg2. Показано, что непрерывные спектры излучения на длинно- и коротковолновом крыльях контура резонансной линии атома ртути X = 253,65 нм возникают на электронных переходах X g^A П, —>А и
между состояниями молекулы ртути. Показано, что крылья контуров линий атомов ртути описываются дисперсионной кривой Лоренца для ударного уширения, что позволило получить простое соотношение для реальной полуширины спектральной линии.
Впервые обнаружен эффект самостабилизации интегрального излучения закрытой ртутной бактерицидной лампы, связанный с незначительным изменением температуры плазмы при росте тока лампы. Показано, что эффект обусловлен выполнением закона Стефана-Больцмана.
Экспериментально подтверждена возможность осуществления дозировки излучения закрытой газоразрядной лампы с помощью фотодиода, установленного в зоне облучаемого бактерицидной лампой объекта.
Научная ценность и практическая значимость положений и других полученных результатов:
Экспериментально установлено, что спектральное распределение излучения атомов ртути в дуговой бактерицидной лампе, находящейся в металлической, непрозрачной полости, соответствует закону излучения Планка, причем линия резонансного излучения атома ртути X = 253,65нм не является доминирующей;
Экспериментально обнаружено большое число линий излучения и поглощения молекулы ртути Hg2, на основании которых построена энергетическая диаграмма нижних возбужденных состояний двухатомной молекулы ртути Hg2,
Показано, что в формировании контуров линий излучения атомов ртути большую роль играют образующиеся в газовом разряде молекулы ртути;
Экспериментально обнаружено, что интегральная мощность излучения ртутной газоразрядной лампы закрытого типа с дискретным спектром
пропорциональна четвертой степени температуры, причем коэффициент пропорциональности не равен постоянной Стефана-Больцмана;
Получено аппроксимационное выражение для полуширины линии планковского излучателя, выведенное на основе уширения спектральных линий за счет ударного взаимодействия между частицами плазмы газового разряда;
Получено интегральное уравнение, связывающее состояние излучающей среды и параметров фотоприемника с интервалом времени, за который на облучаемый объект падает единица энергии дозы облучения;
Получено значение плотности потока лучистой энергии в виде разложения по спектральным составляющим, используемое для оценки поглощенной дозы излучения;
Показано, что металлическая, непрозрачная полость, содержащая дуговую бактерицидную лампу, является Планковским излучателем;
Экспериментально подтверждена возможность идентификации новых линий и участков непрерывного спектрального излучения молекулы ртути Hg2 на основании построенной энергетической диаграммы нижних возбужденных состояний;
Экспериментально подтверждено, что стабильный температурный режим работы лампы закрытого типа обеспечивает постоянство энергетических характеристик, необходимое для воспроизводимости и повторяемости результатов облучения сред;
Создано устройство для измерения дозы ультрафиолетового излучения газоразрядных ламп при облучении крови, прошедшего тестирование на кафедре «Общая хирургия с клиникой» С-Пб ГМУ им акад. И. П. Павлова;
По результатам работы получены патенты на изобретения № 2285357 РФ от 10.10.2006, № 2304007 РФ от 10.08.2007, № 2336105 РФ от 20.10.2008 г.
Апробация. Основные положения и другие результаты диссертационной работы докладывались на XVI международном симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Листвянка, 2009г.); I международной конференции «Общественное здоровье: инновации в экономике, управлении и правовые вопросы здравоохранения» (Новосибирск, 2005); международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2010» (Одесса, 2010); научном семинаре Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург, 2009), научных семинарах лаборатории «Моделирование сложных систем» Омского филиала Института математики им. С.Л.Соболева СО РАН (Омск, 2008, 2009), научных семинарах кафедры «Экспериментальная физика и радиофизика» в Омском государственном университете (2007-2009).
Полнота изложения материалов диссертации. Основное содержание работы представлено в 15 публикациях, включая 2 статьи в центральных отечественных и зарубежных периодических изданиях, 4 статьи в сборниках научных трудов и материалах конференций.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом обобщения исследований автора, выполненных непосредственно им в Омском государственном техническом университете (ОмГТУ). Постановка задач исследований осуществлялась совместно с д.т.н., профессором А.П.Поповым и с д.ф-м.н., профессором В.И.Соломоновым.
Большинство представленных в диссертации экспериментальных результатов получены автором лично. Автором осуществлялся выбор отдельных направлений исследований, разработка и усовершенствование экспериментальных установок и методик проведения экспериментов. Подготовка схемы эксперимента для записи эмиссионных спектров плазмы бактерицидной ртутной лампы закрытого типа (см. подраздел 2.1) проводились под руководством д.т.н., профессора А.П.Попова. Интерпретация спектров излучения и поглощения молекулы ртути (см. подразделы 3.2, 3.3) выполнялись совместно с д. ф-м. наук, профессором В.И.Соломоновым.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, основных результатов и выводов по работе, содержит 119 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 5 таблицы, 1 приложение и библиографический указатель из 85 наименований.
Равновесная плазма
Современные методы оптической спектроскопии вообще и спектроскопии плазмы, в частности, появились на основе классических эмиссионных методов, которые сводятся к измерениям интенсивностей и ширин линий в спектрах спонтанного излучения.
Лампы дугового и тлеющего разряда низкого давления являются плазменными объектами. Согласно разделения по областям существования [10], эта плазма считается слабоионизированной, так как отношение плотности электронов пс к плотности нейтральных частиц N не превышает 10". По характеру взаимодействий частиц, в плазме наблюдаются преимущественно процессы взаимодействия нейтральных частиц между собой и с заряженными частицами. Они главным образом определяют перенос, кинетику процессов столкновений и радиационные свойства плазмы [11]. По характеру проявления свойств и энергетической структуры тяжелых частиц плазма ртутной газоразрядной лампы относится к низкотемпературной плазме. Считается, что энергия свободного движения частиц, как и энергия внутренних степеней свободы, существенно не превышает энергии первого потенциала ионизации атома ртути, равного 10,4 эВ.
Принято считать низкотемпературную плазму атомно-молекулярной [9-11]. Молекулы могут входить в состав плазмообразующих одноатомных газов как примеси, либо образовываться из атомов и ионов. Наличие в плазме молекул оказывает существенное влияние на свойства плазмы.
К понятию низкотемпературной плазмы относится большое число лабораторных объектов, в которых плазма всегда граничит с областями объемного заряда и нейтрального плазмообразующего газа, принципиально важных для поддержания плазмы. Эти области составляют единую систему, как правило, не замкнутую.
Типичные задачи диагностики плазмы включают в себя определение количественного и качественного химического состава, распределение энергии между различными частицами и их состояниями в квантовом и непрерывном спектрах, нахождение параметров заряженных частиц, установление структуры электрических и магнитных полей. Важную роль эмиссионная спектроскопия играет в изучении элементарных процессов, реализация которых во многих применениях является целью создания плазменных устройств (генерация света, плазменные химические процессы [23] и др.). Отмечаемый многими авторами ряд достоинств эмиссионной спектроскопии сопряжен с трудностями по интерпретации результатов эксперимента. Масштаб этих трудностей определяется степенью отступления от состояния термодинамического равновесия.
В последнее время возможности оптической спектроскопии, включая эмиссионную спектроскопию, значительно расширились в связи с применением многоэлементных полупроводниковых приемников излучения, выполненных на основе кремниевых фотодиодов [57-59].
Исследованию молекулярной плазмы постоянно посвящается большое число работ [9], но они не затрагивают плазмы газоразрядных ламп, хотя в ряде известных работ [12-14, 16] названа актуальность исследований такого рода излучения.
Эмиссионные спектры собственного свечения плазмы имеют сильно развитую структуру, обусловленную оптическими переходами, начинающимися с возбужденных состояний одновременно для нескольких сортов частиц. В силу этого возникает задача идентификации линий и их групп по принадлежности к определенным частицам и их состояниям, ответственным за переходы [20].
Отличительной чертой современных исследований низкотемпературной плазмы является рассмотрения процессов, происходящих при существенно неравновесных условиях, обуславливающих излучение [10,18]. Это в значительной мере касается и газоразрядных ламп, по сути предназначенных для генерации света. Рассмотрение свойств неравновесной плазмы в составе газоразрядной лампы, помещенной в закрытую полость, может быть обусловлено достаточно узким применением в качестве, например, закрытого источника бактерицидного излучения. Отсутствие внимания объясняется, с одной стороны, внутренней противоречивостью такой конструкции, а с другой -сложностью оценки, требующей решения соответствующих граничных задач [21].
Развитие представлений о свойствах молекулярной плазмы связано с изучением элементарных процессов в плазме и выбором адекватных моделей.
Одной из фундаментальных характеристик слабоионизированной плазмы является температура нейтрального газа. Температура газа прямо или косвенно влияет на все процессы, протекающие в плазме. Она определяет плотности частиц, их геометрические профили, скорости физических процессов, направление и интенсивность тепловых потоков, приведенные напряженности электрического поля и средние энергии электронов, ширины спектральных линий и т.д. [20].
Вместе с тем вопросы корректного измерения температуры плазмы нельзя признать окончательно решенными методами эмиссионной спектроскопии [9,11,20], поскольку слабоионизированная молекулярная плазма представляет собой довольно сложный в этом отношении случай. Так измерения температур по доплеровскому уширению спектральных линий затруднены как малостью ширин, так и наличием аномальных эффектов. Интерферометрические и маномерические методы, используюмые для измерения плотности частиц, также не обеспечивают удовлетворительных точностей как из-за малости температур, так и из-за изменений состава газа под действием-разряда.
Так, в [20] для определения температуры газа предлагалось использовать метод относительных интенсивностей вращательных линий какой-либо выделенной электронно-колебательной полосы молекулярного спектра по углу наклона температурной прямой. Однако в условиях неравновесной низкотемпературной плазмы этод метод нуждается в анализе. Для его применимости необходимо, чтобы распределение молекул по вращательным уровням возбужденного электронного состояния было больцмановским с вращательной температурой, равной температуре газа. Вращательная температура равна газовой температуре, если в рассматриваемой системе завершилась вращательная релаксация. Установление равновесного вращательного распределения происходит за время, порядка среднего времени длины свободного пробега, то есть сравнимо со временем поступательной релаксации. Таким образом, для применимости метода не требуется наличие температурного равновесия, необходимо лишь, чтобы электронно-колебательное состояние, которому принадлежит система вращательных уровней, было достаточно долгоживущим. Определение электронной температуры в большом ряде случаев
Излучение резонансной линии и основных линий атома ртути
Для исследования влияния тока лампы на спектральные характеристики газоразрядных ламп низкого давления была собрана лабораторная установка (рис.2.1). В состав ее входили: ртутная бактерицидная лампа, расположенная внутри замкнутой цилиндрической металлической полости (1) с пусковым устройством, обеспечивающим пуск и питание лампы, а также призменный спектрометр ИСП-30 с полупроводниковым оптическим многоканальным атомно-эмиссионным анализатором спектра SKCCD. Освещение щели осуществлялось коллиматором.
Указанный призменный спектрограф имеет нелинейную дисперсию от длины волны с известным законом [46]. Градуировка спектра была осуществлена по линиям железа (259,94 нм и 358,12 нм) с точность до 1 х 10 2нм, градуи 38 ровка интенсивности проводилась с помощью эталонной ленточной вольфрамовой лампы СИ 8-200. Динамический диапазон измерения интенсивности линий составлял 10 , а спектральный диапазон чувствительности 170 - 960 нм. Спектральное разрешение аппаратуры в области резонансной линии ртути при Х= 253.65 нм и в других рассмотренных областях было не ниже 5х 10"" нм (в волновых числах составляет 1 слґ). Полость представляла собой алюминиевый цилиндр диаметром 12 см с боковым отверстием 0,9 см, находящимся напротив средней части газоразрядной лампы и устанавливался совместно со спектрометром на оптической скамье. Расстояние между излучающим отверстием тубуса и входной щелью спектрометра равно 0,60 м. Экспозиция составляла 10 с.
Промышленная газоразрядная ртутная лампа размещается в ряде медицинских приборов, в замкнутом, непрозрачном для излучения корпусе. Излучение лампы воздействует на помещенную внутри корпуса оптическую систему [3], или специальную кювету [8] с биологической жидкостью.
Эксперименты проводились с моделью излучателя медицинского аппарата «Изольда» (Рис. 2.2), в котором промышленная кварцевая цилиндрическая ртутная лампа низкого давления 1 размещалась соосно внутри светонепроницаемой полости 2, имеющей в средней части стенки небольшое отверстие 3 для вывода излучения во внешнюю среду, закрытое в конструкции аппарата специальной кюветой с протекающей через нее биологической жидкостью; 4 — окно для установки фотодиода.
Колба ртутной бактерицидной лампы TUV 8w G8 Т5 UV — Special «Philips» (или ДРБ 8 ТУЇ6-535.659-77 [42]) низкого давления (6- 6,75 Торр) представляла собой кварцевую трубку диаметром 16 мм, длиной 280 мм при толщине стенки 1 мм. Трубка была заполнена буферным газом аргоном при давлении 3- -6 Торр, а давление паров ртути при рабочей температуре лампы 322-К350 К составляет величины (6-Н5,75)-10"3 Торр. Полость представляла собой неполированный алюминиевый цилиндр диаметром 0,12 м и длиной 0,6 м с боковым отверстием диаметром 9 мм, находящимся напротив средней части газоразрядной лампы.
На рис.2.3 приведена схема пускового устройства [43], обеспечивающего зажигание и питание лампы постоянным и переменным током, величина которого регулировалась питающим схему сетевым напряжением в пределах действующих значений (180 -ь 254) В. Параметры управляющих схем применяемых приборов питания рассчитаны исходя из номинального тока дуговых ртутных бактерицидных ламп, т.е. 0,170 — 0,180А, но допускали кратковременное двукратное увеличение тока ламп
Схема электрическая принципиальная питания газоразрядной лампы для питания на постоянном и переменном токе Для моделирования колебаний сетевого напряжения на входе схемы устанавливался регулирующий автотрансформатор, имеющий не менее чем пятикратную мощность по отношению к полной мощности схемы, в состав ко 40 торой входил ограничивающий ток лампы дроссель электромагнитного типа Ы5А — P230V, электронный вольтметр PV с погрешностью 0,05%, применялся диодный мост КЦ 405А.
Ток измерялся косвенным методом с использованием резистора 7?4 малого омического сопротивления, падение напряжения на котором пропорционально току лампы. Напряжение на лампе снималось с помощью делителя R2 — і?з-(с погрешностью измерений не более 0,1%)
Измерения напряжения и тока проводились с помощью электронного двух-канального USB-осциллографа, разрядность АЦП — 10 Бит, частота дискретизации — от 5 кГц, чувствительность — 1 мВ/дел.
Подогрев катода лампы осуществлялся кнопочным включателем с возвратом, время переключения которого было не более 0,2 с. При измерениях были соблюдены нормальные климатические условия эксплуатации лампы [42].
Допускался форсированный режим работы лампы на постоянном токе — до 0,4 А, существенно превышающий номинальный ток лампы 0Д7А.Длительность этого режима была кратковременной и приблизительно составляла 10 с. Прогревание и поддержание температуры полости, содержащей лампу, осуществлялось работой лампы на переменном токе в номинальном режиме.
Во избежание разрушения ток лампы ограничивался величиной 0,45А. Бесконтактным методом, с помощью электронного пирометра («Fluke -61» рабочий диапазон 630-670 нм, погрешность ок. 10%.) при температуре окружающей среды +22С была определена температура колбы газоразрядной лампы и стенок полости, в которой она заключалась. За время 15-минутного прогрева лампы температура поверхности газоразрядной лампы достигла величины 49С и в дальнейшем оставалась на этом уровне. Температура средней части металлической полости составила величину 26С и к краям уменьшалась, приблизительно на 0,5 -ь 1,2С.
Воздействие оптического излучения на среды. Поглощение потока излучения
Сильное уширение и самообращение превращают эту линию в участок интенсивного сплошного фона с провалом на месте линии, а для биологических и медицинских целей необходим точный учет ее длины волны излучения.
Нетрудно показать, что большая величина смещения максимума (56 см ) не может быть интерпретирована доплеровским сдвигом из-за нереально большой расчетной скорости излучающего атома. Она не может быть объяснена и расщеплением контура под действием внешнего магнитного или электрического полей из-за их низких значений.
В [17] сказано, что даже в весьма сильных внешних электрических полях расщепление составляет всего лишь десятые доли см . Напряженность внешнего поля при этом должна достичь величины порядка 100 кВ/см.
Причиной расщепления спектральной линии, приводящей к сдвигу максимума линии на 56 см 1, не может являться магнитное поле из-за нереально большого значения внешнего магнитного поля.
Целью настоящей главы является выяснение роли молекулы ртути в формировании спектра излучения и контуров атомных линий излучения ртутной лампы, находящейся в непрозрачной металлической полости.
Форма контуров резонансной линии газоразрядной ртутной лампы, находящейся в непрозрачной металлической полости имеет сложный вид со смещенным в коротковолновую сторону максимумом интенсивности.
Было обнаружено, что независимо от типа разряда (тлеющий, аномально тлеющий или дуговой разряды постоянного или переменного тока) контуры многих линий излучения атома ртути сильно искажены (рис.3.1).
В первую очередь это касается резонансной линии при А.г= 253.65 нм, для излучения которой, по существу, и предназначена эта бактерицидная лампа. В ее асимметричном контуре наблюдаются локальные провалы интенсивности, особенно сильные в физическом центре. В центре (рис.3.2а) и на длинноволновом крыле контура наблюдаются широкие провалы интенсивности, в диапазоне 252.0 — 254.50 нм выделятся ряд узких провалов с центрами при 253.13, 253.29, 253.53, 253.76, 253.98 и 254.20 нм. Провалы интенсивности при волновых числах va =39 480, 39 443, 39 407, 39 372 и 39 339 см 1 с уменьшающимися между ними интервалами A va =37, 36, 35 и 33 см они могут идентифицироваться, как поглощение на переходах между различными состояниями молекулы.
Формы контуров линии ртути 253.65 (а), 435.83 (б), 404.65 (в) и 546.07 нм (г) в дуговом разряде при токе лампы 0.34 А (1), в аномально тлеющем разряде при токе 0.25 А (2) и при питании лампы переменным током промышленной частоты (3), которые совпадают в пределах требуемой точности и для других линий 435.83, 404.65 и 546.07 нм.
При рассмотрении регистрируемых контуров (рис.3.2) основных линий излучения атома ртути 404.65, 435.83 и 546.07 нм наблюдаем подобную картину в контурах линий при 404.65, 435.83 и 546.07 нм, где также отмечается ряд узких провалов: при 432.25, 432.95, 433.97, 434.93 и 435.56 нм в линии при 435.83 (рис.3.2 б), при 403.14, 403.55, 403.93, 405.76 и 406.43 нм в линии 404.65 нм (рис.3.2 в) и один узкий провал при 541.60 нм в линии 546.07 нм (рис.3.2 г).
На длинноволновых крыльях этих контуров, кроме того, наблюдаются максимумы интенсивности при 253.83, 406.2, 438.3 и 551 нм, являющиеся либо участками не поглощенной части спектра, либо линиями излучения.
Из всех представленных контуров именно в контуре линии 546.07 нм наименее искаженным является коротковолновое крыло, которое было аппроксимирорано лоренцевской функцией
В спектре излучения исследованной ртутной лампы устойчиво фиксируются четыре серии линий: одна серия в окрестности 265.0 нм (рис 3.3 а), в котором выделяются линии излучения небольшой интенсивности 264.80, 264.96 и 265.Пнм, вторая-в окрестности 302 нм (рис.3.36) с линиями излучения 301.51, 301.74 и 301.95 нм, среди которых выделяется линия большой интенсивности, а также две серии линий в окрестностях 289 нм и 280 нм (рис.3.3 в, 3.3 г).
В окрестности линий излучения 265.0 нм (а) видны линии излучения 264.80, 264.96 и 265.11 нм, в окрестности 302 нм (б) - 301.53, 301.74 и 301.95 нм. В окрестности линии излучения 289 нм (в) выделяется линия 288.82 нм, в окрестности линии 280 нм (г) превалирует линия излучения 279.89 нм. Отмечена линия поглощения атома ртути 265,20 нм (рис 1.2) Длины волн этих линий излучения, представленных на рис.3.3 а, 3.3б, а также провалы в контурах линий излучения атома ртути (рис.3 2) не совпадают с известными [56] линиями излучения атомов ртути и буферного газа (аргона).
Роль молекул ртути в формировании излучения газоразрядной лампы
Достоверность полученных результатов расчетов спектральной плотности потока излучения подтверждают экспериментальные данные, полученные с помощью приемника, в состав которого входит фотодиод и операционный усилитель[44].
Фотоприемник выполнен в виде модуля ЛК 149L&L1 («Electro Optikal Components, Inc.») с известной спектральной чувствительностью ух t = 0,05 [А/Вт] и эффективной фоточувствительной площадью Sd— 12,25- 10 б [м 2], был снабжен полосовым фильтром диапазона 160- -300 нм и работал в фото диодном режиме; модуль был собран по схеме усилителя постоянного тока с небольшим коэффициентом усиления и сопротивлением обратной связи Roc [64].
Инерционность приемника, являющаяся одним из факторов фазового сдвига между падающим сигналом и сигналом реакции модуля, была вычислена по результатам эксперимента.
Для этого на фиксированной длине волны 253,65 нм, выделенной с помощью монохроматора, при напряжении питания 220 ± 1,1 В, промышленной частоты/=50±0,2 Гц была проведена регистрация выходного сигнала модуля ЛС 149L&L1. Действующее значение тока закрытой ртутной газоразрядной лампы контролировалось в пределах іл = 0,355 ±0,002 А. Бактерицидная лампа TUV 8w G8 Т5 UV работала в установившемся режиме дугового разряда при постоянных температурах полости и колбы. Отклик фотоприемника на поданный сигнал не может быть мгновенным. Запаздывание вызвано, прежде всего, инертностью плазменных процессов при зажигании лампы (2.2.2), а также влиянием р-п — перехода фотодиода, имеющего емкостной характер [41].
Как видно из рис.4.4, величина сдвига минимума сигнала на выходе приемника (усиленного сигнала фотодиода, кривая 2) относительно нулевой точки лампы 1Л = 0 (кривая 4) составляет тс 1,70 -1,87 мс. Эта величина - инерционность фотоприемника. Время запаздывания привело к сдвигу фаз \/ 7с/6 между током лампы (4) и выходным сигналом фотоприемника.
Переменная составляющая напряжения на выходе усилителя ЛК 149L&L1 (1, 2) и ток лампы TUV 8w G8 Т5 UV (3,4) (1) - расчет по формулам (2.23), (4.8), (4.6); (3) -по (2.1); (2) и (4) - осциллограммы;
Как видно из рис. 4.4, выходной сигнал усилителя имеет несимметричную форму, которая объясняется несинусоидальностью тока газоразрядной лампы [41]. Ток газоразрядной лампы, в соответствии с (2.1), представлен основной гармоникой тока ДО = I0 sin(cot+(po) (кривая 3 рис.4.4). Это представление является весьма грубым [9,13,14], но оказывается приемлемым для ряда приведенных оценок.
Поток энергии излучения газоразрядной лампы, проходящей через отверстие полости, пропорционален плотности энергии (2.14) которая зависит от эффективной ширины линии. Для планковских контуров — это выражения (4.8).
При постоянном токе лампы расчет поверхностной плотности потока, падающего на облучаемую среду, не представляет трудностей, но практически, рассматриваемые лампы дугового разряда работают на переменном токе. Для расчетов по (2.14) этого необходимо представление температуры плазмы T{t) в явном виде. В рассматриваемом диапазоне амплитудного значения тока 0,275 + 0,433 А (действующие значения 0,194 + 0,306 А) лампы закрытого типа температура T{t) плазмы меняется в пределах отТ1 =9070 К до Т2= 9200 К. Поскольку теплоемкость нагретого газа и паров ртути велика [54], то в перерывах между перезажиганием (t 1,2- 1,7 мс), когда ток газоразрядной лампы находится вблизи нуля, температура его остается высокой, а также исходя из предположения, что между плотностью тока лампы и температурой ее плазмы существует корреляция (2.5.3), в диапазоне амплитудного значения тока (,= 0,354 ±0,08 А временная зависимость температуры T(t) (рис. 4.5) может быть представлена в виде
С учетом (4.8) и экспериментально найденного запаздывания сигнала тс был произведен расчет выходного сигнала фотоприемника (2.23) на фиксированной длине волныХф = 253,65 нм с параметрамиSd= 12,25мм 2, Тлф = 0,05 [А/Вт] и амплитудных значений токов /0i —0,275 A, /0i =0,433 А. При этом использовались следующие параметры: эффективное сечение столкновений атомов ртути с атомами аргона а = 10" м2; давление буферного газар = 800 Па; концентрация атомов ртути в основном состоянии п0 = 1015 см 3 .
Согласно расчетам, отношение амплитудных значений выходных сигналов фотоприемника составило приблизительную величину 0,0032 (-0,056 по мощности), что подтвердило выводы, сделанные в (п.4.3).
Интервал времени Тф, за который на фотодиод попадет лучевая энергия W [Дж] спектральной линии Хф, найденный из решения уравнения (2.24) позволяет определить с помощью (2.25) мгновенную и среднюю за период спектральную мощность излучения лампы.
В частности, при данных: Хф= 253,65 нм; Unop = 2,4 В; 10 = 0,355 A; Re = 2,49-107 1/Ф; Си = 0,68 иФ; у = 0,05 А/Вт; S = 12,25-10"6,w2 , временной зависимости T(t) (4.12), фиксированного значения р0 = к/6 и промышленной частоты значение длительности интервала составило тэ =1.65-10" с, за которую падающая на поверхность фотодиода и прошедшая фотопреобразование энергия достигает величины 1,941-10" Дж (энергия заряженного конденсатора CUU72) [74].
Согласно (2.25), практически, равное значение энергии (1,923-10"6 Дж) па-дает на равную площади фотодиода площадку S =12,25-10" м за найденное время хэ =1.65-Ю "6 с (погрешность составила 0,93%). Мгновенное значение спектральной мощности излучения резонансной линии Хг = 253,65 нм за найденный интервал времени тэ = 1.65-10" с составляет 1.176 Вт, а среднее значение мощности за Юме период — около 6,78-10" Вт.
