Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время метод обеззараживания ультрафиолетовым (УФ) излучением широко применяется для обработки больших объемов воды и воздуха. Основным механизмом действия УФ излучения на микроорганизмы, бактерии и вирусы является необратимое повреждение связей их ДНК, ответственных за воспроизведение. Метод УФ обеззараживания не приводит к образованию побочных, вредных или других потенциально опасных веществ. При окислительных методах обеззараживания, таких как хлорирование и озонирование, образуются побочные продукты, опасные как для человека, так и для окружающей среды. Наряду с этим, метод хлорирования крайне неэффективен для инактивации вирусов.
В качестве источника УФ излучения широко применяются ртутные разряды низкого давления, основным недостатком которых является низкая удельная мощность УФ излучения. Применение ртутных ламп высокого давления с большой удельной мощностью УФ излучения ограничено их низким КПД и малым сроком службы. Источники УФ излучения низкого давления, в которых в качестве источника паров ртути служит амальгама, позволяют поднять удельную мощность УФ излучения и улучшить экологическую безопасность оборудования обеззараживания. Повышение мощности источников требует применения более стойких к повышенной температуре материалов, поэтому применяется кварц вместо увиолевого стекла. Спад УФ излучения ртутных и амальгамных ламп, изготовленных из кварца, составляет 50% после 6500 часов работы лампы. Однако, для ряда применений, например, для обеззараживания воды, требуются лампы с большей мощностью УФ излучения и значительно меньшим спадом УФ излучения при более длительном времени работы лампы.
Широкое внедрение метода УФ обеззараживания для промышленного применения сделали актуальной задачу разработки новых более мощных, высокоэффективных, долговечных и экологически безопасных источников бактерицидного УФ излучения. По данной тематике практически отсутствуют статьи, посвященные исследованию процессов, определяющих ресурс работы амальгамных ламп низкого давления с высокой погонной мощностью УФ излучения и высоким КПД генерации УФ излучения и механизм спада УФ излучения в процессе горения разряда.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование механизмов, определяющих длительность горения и спад интенсивности УФ излучения дугового разряда низкого давления в смесях
инертных газов и паров ртути, и разработка источника УФ излучения с повышенной мощностью, высоким КПД и повышенным ресурсом работы. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Провести исследования вольтамперных характеристик и УФ излучения
разряда низкого давления с погонной мощностью 1,5-3 Вт/см в смесях
паров ртути с инертными газами (Ar, Ne) при разных составах и низких
давлениях газовой смеси (0,1-3 торр) и различных тепловых режимах на
стенках разрядной трубки.
2. Определить основные причины, приводящие к погасанию разряда при низких
давлениях в смесях инертных газов и инертных газов с парами ртути.
3. Определить механизмы спада интенсивности УФ излучения и предложить
способы уменьшения их воздействия.
Определить составы газовой смеси и амальгамы, и параметры разряда, позволяющие получить высокую мощность разряда, высокий КПД генерации УФ излучения и длительный ресурс работы.
Разработать источник УФ излучения с мощностью бактерицидного УФ излучения (253,7 нм) не менее 90 Вт и с электрической мощностью 240 Вт с длительным ресурсом работы для промышленного применения.
Научная новизна. Получены вольтамперные характеристики и мощность УФ излучения ртутного дугового разряда переменного тока высокой частоты при пониженных давлениях смесей инертных газов аргон-неон 0,3-3 торр. Обнаружено, что при больших плотностях разрядного тока и низких давлениях 0,3-1 торр инертного газа КПД разряда выше значений, полученных путем экстраполяции известных экспериментальных зависимостей для разрядов с малой плотностью тока.
Установлено, что основным механизмом, определяющим время горения разряда в инертных газах, является изменение состава газа вследствие взаимодействия разрядной плазмы с кварцевой стенкой. Обнаружено, что нанесение защитного слоя из окислов редкоземельных металлов на внутреннюю поверхность кварца позволяет увеличить время горения разряда в инертных газах почти на три порядка, а разряда с добавлением паров ртути - в 1.5 раза. Определяющим механизмом погасания разряда в этом случае является повышение работы выхода электронов из оксидного катода вследствие взаимодействия выделяющихся из кварца водорода и кислорода с окислами щелочноземельных металлов (ЩЗМ), что приводит к повышению температуры и повышенному расходу эмиттирующего электроны вещества.
Установлено, что спад УФ излучения на начальном этапе, в основном, определяется процессами связывания атомов ртути с продуктами выделения неразложившихся карбонатов ЩЗМ, из которых получают оксиды ЩЗМ на
вольфрамовых электродах ламп низкого давления. Связанные атомы ртути в виде закиси или окиси, а также амальгамы с ЩЗМ осаждаются на внутреннюю поверхность кварца и уменьшают коэффициент пропускания УФ излучения кварца.
Обнаружено, что при длительном горении разряда основной причиной спада УФ излучения является накопление атомов ртути в тонком слое кварца толщиной менее 50 мкм в результате взаимодействия ионов ртути с кварцевой стенкой, и уменьшение коэффициента пропускания УФ излучения кварца при неизменных параметрах разряда.
Показано, что применение защитного слоя из оксидов редкоземельных металлов на внутренней поверхности кварца значительно уменьшает величину спада УФ излучения при длительной работе источников.
Практическая и научная ценность. Полученные результаты могут быть использованы для анализа процессов, протекающих в стационарной плазме дугового разряда низкого давления в парах ртути и смесях инертных газов при низких давлениях и больших плотностях тока, а также для разработки источников УФ излучения высокой мощности. Защитные слои могут найти широкое применение в кварцевых газоразрядных источниках излучения повышенной мощности, применяемых для обеззараживания и освещения, а также в источниках, содержащих химически активные вещества, и других газоразрядных устройствах, где требуется защита поверхностей от прямого воздействия плазмы и длительное время горения разряда.
Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления ЗАО НПО «ЛИТ» по созданию мощных высокоэффективных источников бактерицидного УФ излучения с повышенным ресурсом работы. Разработанный источник мощностью 240 Вт выпускается НПО «ЛИТ» и широко применяется в установках для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей. Применение амальгамы делает производство и эксплуатацию таких источников экологически безопасными.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Экспериментальные результаты исследования дугового разряда переменного
тока высокой частоты 25-50 кГц при пониженных давлениях смесей инертных
газов аргон-неон 0,3-3 торр с погонной мощностью 1,5-3 Вт/см с применением
амальгам с различным изотопным составом в качестве источника паров ртути.
Основные причины погасания дугового разряда при низких давлениях в смесях инертных газов и инертных газов с парами ртути.
Механизмы спада УФ излучения дугового разряда в парах ртути низкого давления.
Влияние защитного слоя из окислов редкоземельных металлов на время горения и спад УФ излучения дугового разряда в парах ртути низкого давления.
Обоснование выбора состава газа, давления, типа амальгамы и плотности тока. Разработка кварцевой амальгамной лампы с длиной дугового разряда 1440 мм, мощностью УФ излучения более 90 Вт, электрической мощностью 240 Вт с КПД 38%, спадом УФ излучения не более 20% после 12 000 часов работы.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Х-ой конференции по физике газового разряда, (Рязань, 2000), IV международной светотехнической конференции (Вологда, 2000), III международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2001), III Всероссийской конференции по физической электронике (Махачкала, 2003), 3-м международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Плес, 2002), III Всероссийской конференции по физической электронике (Махачкала, 2003), 4-м международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2005), IY Всероссийской конференции «Физическая электроника -2006» (Махачкала, 2006), Всероссийской конференции «Физика низкотемпературной плазмы - 2007» (Петрозаводск - 2007), научных семинарах МФТИ, НПО «ЛИТ», МГУП «Мосводоканала».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, получено 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 139 страницах текста, включая 116 рисунков, 12 таблиц и список литературы, насчитывающий 151 наименование.
