Введение к работе
Актуальность тега. Фотоэлектронная зі.ассня с ;.эрозолышх частиц, происходя изя под действием енєстєго источил j;a к злученая, играет гакнув роль в ряде прикладных зздьч физики нэродпсперсных систем.
В частности, фотоэлектронная эмиссия с аэрозольных чистин, находлсихся в земной атмосфере, под действием солнечного излучения мокет вызвать увеличение электрической проводимости воздуха, которая в определешгах метеорологических условиях способствует росту электрического заряда на отдельных облачных ксплях, росту напряженности электрического поля л облзке п переходу облака в грозовую ствдлю.
В ряде метеорологических ситуаций увеличение проводимости воздуха приводит к росту электрических потерь а снижении грозовой активности обликов.
В верхних слоях ятмосферн аэрозольная фотоз..";ссия является однпм из факторов, определя-тлих концентрации.' электронов и отри-цателышх ионов, от которых зависит способность ионосфера от-ракать радиор.олны.
Аэрозольная фотоэмгесия может вносить закетний вклад в процессы, инициируемые появлением в воздушной среде электронов и отрицательных ионов: в образование кластерных ионов а радноли-тических аэрозолей.
Наблюдения, прсреденные вблизи крупных прешиленных центров, показали, что в I см воздуха содержится несколько сот фотоак-тивннх частиц диаметром меньше 20 гал. По-видимому, с ростом выб-ройОв аіітропогеїшого происхождения в екосферу влияние аэрозольной фотоэмиссии на различные геофизические процессы будет неук-лопно расти.
Явление фотоэлектронной эмиссии используется для физико-химического анализа аэродисперсных систем, в частности, для идентификации аэрозолышх частиц тякелых металлов.
Таким образом, учитывая научную и практическую важность проблемы, следует считать актуальным выполнение экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение процесса фотоБьшссиснной зарядка отдельно!! сферической седииентн-рувдея частицы в воздухе, а такте оэродвсперсяЪд системы при нормальном атшеферзом и поїшгакнои-давлении воздуха.
Цель рчс'.оты состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании процесса фотоэгисспонкой зарядки отдельной сферической седкконткрувсей частицы и аэродисперсной системы (коллектива частиц). Б связи с этим поставлены следа юши е задачи:
Экспериментальные исследования фотоэмиссионной зарядки отдельной сферической седкмонтирушей частица.
Экспериментальны^ исследования фот о эмиссии с аэродисперсной систоле (коллективе частиц).
Теоретическое описание процесса фотоэмиссионной зарядки отдельной сферической седпментируэдей частицы.
Расчет некоторых параметров процесса фотоэмиссионной зарядки аэродасперсной системы.
Н.чучи!--л новизна. В работе впервые экспериментально исследо-веиа заваскыоеть ф.отоэмиссонного изменения заряда от величині» начального зарядо не отдельной седиментирушей капле із воздуха, пролетавшей зону засветки, при стаосферном.давлении в области ее отрицательного и положительного заряда. Исследования проводились для капель водных растворов красителей трифєнилміітаноЕО-го ряда. Экспериментально определены их квантовые выходи.
С целью :: раб ли же гаш услогий эксперимента к условиям земной атмосферы определена зависимость равновесной концентрации электронов от давления воздуха и зависимость средней равновесной фотоамиссионкой потери заряда каплей от давления воздуха. Аэродисперсная система находилась под воздействием внешнего УФ-из-лучения.
В области отрицательных и полоьительных зарядов частиц с единых методологических позиций получено уравнение фотоэмиссионной зарядки отдельной сферической седиментируыцей частицы, определяющее зависимость величины фотраиіссионного тока с частицы от величины ее заряда. При выводе уравнения использовался метод граничной сферы с учетом образования s воздушном пространстве, окружв.гаем частицу,стрицотельных ионов кислорода 0^ и частичном упругом рассеянии потока электронов, испускаемых ее поверхностью, молекулами азота.
Получено аналитическое решение уравнения фотоэмиссионной зарядки отдельной частицы, определящее зависимость величины ее заряда от времени нахождения в зоне засветки.
С учетом модели зарядка отдельной частицы ргесчитаны равновесная концентрэдая »лектрснов и равновесный зафял одной чі.с—
тицы среднего радиуса в аэродисиерсноа системе, находящейся в зоне внешнего УФ-пзпучения при различном давлении воздуха.
Практическая ценность. Результаты работы углубляет современные представления о процессах заряд.-си отдельной частицы и аэродисиерсной системы в условиях земноі атмосфери.
Полученные результати могут быть использованы в метеорология, геофизике, технологических лроцессаХ',Есиользуші.х зарядку частиц, а геккэ для физико-химического снали за изродисперсных систем методами фотозмиссни.
Приведенная в работе расчетная схема мохет быть использована при исследовании других видов электронной эмиссии с аэрозольных частиц.
Основные научные положения зьшосимне на защиту
-
Экспериментальное исследование зависимости фото эмиссионного изменения заряда седиментируккей капли от величины ее начального ааряла в области отрицательного а положительного заряда при атмосферном давлении воздуха.
-
Экспериментальное определение из личины квантового выхода для некоторых водных растворов красителей трифенялмзтапоЕОГо ряда.
-
Экспериментальное определите зависимости величины заря- » да на отдельной седиментирушей капле от времени ее пребывания
s зоне засветки при атмосферном давлений воздуха.
-
Экспериментальное определение зависимости равновесной концентрация электронов п среднего равновесного заряда на частице в аэродисперсноа системе, находящейся во внешнем излучении, от величины давления воздуха.
-
Уравнение fOTosraccnoHHon зарядки отдельной сферической седиментнрувдей гастицц в области ее отрицательного и полохш-тельного зпряда. Лнашггическое решение этого уравнения и анализ експериментальних и расчетных результатов.
-
Расчет равновесной концентрации электронов и равновесного заряда на частица среднего радиуса в в эре-дисперсной" системе, находясейся во внешнем излучении при различном давлении воздуха. Аналиэ експериментальних и расчетных результатов.
Апробация рзботц. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференция "«ветка и техника коне—
дисперсных систем" (гЛ'осква: 1988 г.); Х1У и ХУ Всесоюзных конференциях "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (г.Одесса: 1986, 1989 гг.); Европейской Аэрозольной конференции (ФРГ, Карлсруэ: 1991 г.); ІУІ конференции стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (г.Одесса: 1993 г.).
Публикации. По материалом диссертации опубликовано ID pa-dot в виде научных статей и тезисов докладов.
Объем к структура работы. Содержание работы излокено на 155 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, шести глез, заключения и содержит 32 рисунка, I таблицу и библиографию из 102 наименований.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в дао- сартации проблемы, сформулирована цель исследования, его научнай новизна и практическая ценность, представлены основные научные положения,внносише на защиту, а также сведения об апробации работы.
В пеппой главе проведен ибзор литературы по фотоэмиссионной зарядке лэродисперсных систем, показавший, что фотоэмиссия с аэрозольных частиц, содержащихся в атмосфере Земли, под действием излучения Солнца может влиять на естественное электри-. ческое состояние воздуха и инициировать различные химические реакции.
Фотоэмиссионная зарядка частиц применяется в ряде експериментальних методик, предназначенных для физико-химического анализа аэродисперсных систем.
В настоящее время нет детального экспериментального исследования процесса фотоэшесионной зарядки отдельной частицы в воздухе, Экспериментальные «ее ледовитая по фото эмиссионной зарядке коллектива частщ носят, в основном, качественный характер.
Предлагаемые формулы для фотоэмиссионного тока с поверхнос* тв аэрозольной частицы пригодны лишь для вакуума. В них не отражено влияние воздушной среды на величину фототока.
С учетом современного состояния проблемы сформулированы цель ж ечдача иссчедований.
Во рторой гл.чре приведены результаты экспериментального геследования фотоэлектронной зшесии с отдельной сферической зедиментирушсіі частицы при атмосферном давлении.
Для выяснения физического механизма ^отоошесионной зарядка одиночной rfsnrai целесообразно проводить экспериментальные исследования при следугаих условиях: Au>hv М 5»Ав ; Ґ«Сс . Здесь Аи - работа ионизации газа, $ - частота излучения,в котором находится капля, h - постоянная Планка, AS - работа енходп электрона с поверхности капли, Г - радиус капли, 2-е - среднее расстояние между отдельными зедиментирую-щими каплями. Эти услогчя говорят о том, что кошоиентн воздуха не фотоактивны и в услопях данного эксперимента положительных ионов нет. Расстояние миаду отдольнши седиментирупшши каплями велико и влиянием электростатического поля соседних капель на зерядку данной капли можно пренебречь.
5а
Jot '
-f-тСЗ
^
/
-fm-
Эти условия были реализовал* в экспериментальной установке, блок-схема которой представлена па рис.1.
Рвс.1. Блок-схеиа экспериментальной установки для исследования фотоэлектронной эмиссии с одиночных к те ль,
Установка состоит из кюветы (I), являачейся плоско-парал-лелышг.' ола.-.трсстатическим екраном. В верхней части кадеты смонтирован генератор мокодасиерокых капель ІЖ (2) ,питаошй от ис-точіпіка переменного нипр.таешія ГЗ-33 (2а). Изменение начального заряда капель производится с помощью источника постоянного варьируемого налряхеюш РУ (3), величина которого контролируется индикатором (За). В никней части кюветы смонтирован улавливатель капель (4), представлявшій собой "цилиндр Фарадея". Тек, создаваемый каплями, усиливается и фиксируется измерителем тока (5) с индикатором (5а). Ь кечєстеє измерителя тока использовался прибор ВК2-І6. Для измерения размеров капель служит пластина (6), покрытая двухслойной вазелине-масленой пленкой, расположенная перед входом в улавливатель капель с возможностью ее извлечения. Полученные от ПЖ капли через окно со светофильтром (7), которое кокет перекрываться шторкой (7а), облучаются источником ультрафиолетового (УФ) излучения (8), питаемого от блока питания (8а), Источником излучения яплялась ксеноновая лампа ДКс1!>-Ь00. Нарамзтры истока К-излучекия измерялись актинометром АТ-ЬО (9) и фиксировались прибором ШІЇГ-І (9а).
Струя капель, создаваемая ГМК (2) рис.1, пролетая через кювету и попадая на измерительный электрод улавливі.вдего капли устройство (4), создаст ток Згмк.Его величина фиксируется влек-тромєтричесіаш усилктелеы ВК2-І6 (5). Зная величину тока 0ГН<, можно определить величину начального заряда одной каллк
Q.=
Jrwx
VfMK > <I}
где Угмл - частота колебаний иглы ГМК. Открыв шторку (7а), формируем внутри кивоты поток УСмізлучснкя известных параметров. 'Капля, пролетая через зону засветки протяхеннсстьк 1} , изменяет свей заряд за счет Цотоэшссии с ее поверхности. Пссле этого величина измененного (конечного) заряда фиксируется шерь с использованием формулы (I). Зная начальный Q» (до з< сватки) и конечный «к (после засветки) заряды капель, определят изм.— нение заряде за счет фотовмиссии
aQ=Qh -Qk- . (2)
В ходе экспериментов были ксіюльзое; ны редныч. растворы красителей три^сшілмнтаїгавого ряда с кассовой концентр.шей 0,а ;;,
и известными работами выхода электрона.
На рис.2 представлены экспериментальные зависимости фоте— эшссионного изменения заряда капли &Q -Qh~Qk с I"» 140 мкм, седиментирувдей через зону засветки, от величины ое начального отрицательного заряда Qh . Горизонтальные учс.стки кривых говорят о выходе фотоэ«иосновного процесса с поверхности капли на состояние насыщения. Именно эти участки использовались для определения квантового выхода используемых растворов
Y - Qti " Q k із)
где ф0 - интенсивность излучения, t = -yji _ время нахогде-ния капли в зоне засветки, і%- = 2« Ж) м - длина зоны засветки, 1/с - скорость седиментации капли, 0. - заряд электрона.
На рис.3 представлены аналогичные зависимости величины aQ-Q<-OkOT величины начального положительного заряда капли
Qh-
Получены таюхе зависимости величины отрицательного и положительного заряда на капле от времени ее нахоадения в зоне засветки.
В третьей гляре приведены результаты экспериментального исследования фотоэлектронной эмиссии в аэродисперсной системо. Исследования проводились в термобарокамера 5TBV -Е00. Давление воздуха в ходе экспериментов изменялось от I.0I3I0 Па до 6.7 10 Па. Температура поддерживалась постоянной Т » 300 К.
Вначале производились исследования величины и знака заряда капель, производимых центробехным генератором в процессе диспер-гировгния жидкости, без воздействия УФ-излучения. Аэрозоль создавался из водного раствора красителя малахитовая зелень с массовой концентрацией 0,5 %. Исследования показали, что в результате распиливания раствора капли получают отрицательный заряд. Величина этого заряда с уменьшением давления в термоборокшере возрастает. Гак как средний начальный заряд капли меняется, процесс фотоэмиссии в аэрозоле целесообразно охарактеризовать средней равновесной фотоэмиссонной потерей 8вряда каплей
дОр1=Оиі-С?рі , (4)
где Оні - средний начальный заряд капли, Qp± - средний рьв-
- Ги
ОиІО.Кл
-6 -5 -А -5
aQIQKa
дОіо'!кл
2,or
-2 -1 О 1 2 О 4
Рис.2. Экспериментальные 3SEi:CU'0CTH l|0T03M!C-
сконного изменения зьря;:а &Q, от величини начального отрицательного заряда Qh для капель ВОДНЫХ растворои красителей: І t$H- аритрозин; 2-ф - ро-дакин 6а. Сплошные кривые -соответструк'ле расчетные зависимости.
Рис.3. Экспериментальные зависимости фстоэкиссионного изменения заряда &Q от величины начального положительного заряда Он для капель полных растворов красителей: іф-вритрозин; 2і^- родамин 6Ж. Сплошные кривые-соответствующие расчетные ЗЭВИСИМОСТИ.
вовееннй воряд кал ли, при котором облучаемая мщнокаиельная фаза находится в равновесии с объемным зарядом злектронов.
На рис.4 представлены экспериментальные зависимости среднего начального заряда кипли Qnl от давления воздухн Р и средне! равновесной фотовмиссионной потери заряда каплей aQp ± от давления воздуха Р.
ft четвертой главе получено выражение для фотоэмиссионного тока с поверхности сферической седаментирутея частицы при атмосферном давлении воздуха.
- II -
I Qhi(AQPi,2
6__Р-Ю;па
0,2 0,4 0,6 0,Ь ї~0
Рис.4. І О - экспериментальная зависимость среднего
начального заряда капли Qui от дарлегая воздуха Р , 2 С - экспериментальная зависимость средней равновесной фотоэкбсоюш: эй потери заряда каплей д Qp) от давления воздуха р . Сплоаіая кривая -соответствующая расчетная зависимость.
При описании процесса фото эмиссионной заряд:<и сферической седиментирушей частицы использовался метод граничной сферы. " Частица окружалась концентрической сферой, находящейся от ее поверхности на расстоянии равном в- 2* і ,, среднему между длиной свободного пробега отрицательного нона кислорода Чол я всоктрона te Пространство, ограниченное поверхностью ча~ти-цц и граничной сферой, названо кинетической зоной. Предполагается, что внутри кинетической зоны электроны и отрицательные ионы кислорода OjT движутся без взаимных столкновений, сталкиваясь о граничной сферой и поверхностью частицы. За пределами граничной сфера происходит фоторазрушение отрицательных ионов кислорода 02" внешним УФ-излучениеи,и перенос заряда от поверхности частицы в объем представляет собой диффузии электронов, происходящую в электростатическом поле частацы.
В результате решения диффузионной задачи получено выражение для фотовшссионного тока с поверхности отрицательно зарягенноЗ сферической частицы
-Q(/
п ОиЩХ (5)
где Q - величина заряда частицы, Г - ее радиус, ^ - к ели-чина фототок;^ насыщения с поверхности частица, р(о) - функция величини отрицательного заряда частицы, определявдая влияние рассеяния потока электронов молекулами азота на граничной сфе-ре_на величину фотовмиссионного тока с поверхности частицы,
Уог - средняя скорость ионов кислорода 0~ , ty(Q) -функция величніш отрицательного заряда частицы, учитывающая торможение потока отрицательных ионов кислорода от граничной сферы к поверхности частицы в ее электростатическом поле, ,„ - электрическая постоянная.Ц и D - соответственно подлинность и коэффициент диффузии электронов, $-(&е,$с) ветровой шгахитель, учитывающий влияние дввкения среды на скорость диффузионного переноса заряда, являющийся функцией чисел Рейяольдса Re и Шмидта
При выводе выражения для фотозшесиошюго тока с поверхнос
ти положительно заряженной сферической частицы учитывалось, что
в области положительного заряда - становится по-
стоянной величиной, где Gw, - половина вероятности столкновения электрона, испущенного поверхностью частицы с молекулой азота на граничной сфере и \\f(Q\~0
^^"ff^wf-J-1!*^
(6)
Фото8миссионкый ток с иейтральной частицы найден как предел (5) иди (6) при Q —*-0
- ІЗ -
Ка рис.2 и рис.З представлены экспериментальные и расчетные зависимости, полученные с использованием уравнений (5)... (7) для капель водных растворов красителей трифенилкетанового ряда с Ґ = 140 мкм при атмосферном давлении воздуха. Массовая концентрация растгоров составляла 0,5 %.
В пятой главе проведены исследования и получены аналитические решения уравнений фотоэмпссионной зарядки сферической седп-ментирующей частицы.
Для отрицательно заряженной частицы это уравнение может быть получено из (5) представлением фото эмиссионного тока как скорости уменьшения заряда частицы !) = ~ 3+
Для положительно заряженной частицы уравнение фотоэмнесионной зарядки получается из (6) заменой 3-fh:
Результатами решений уравнений фотоэмиссконной зарядки являются зависимости заряда частицы от времена ее пребывания в зоне засветки. Сравнение экспериментальных и расчетішх результатов показало их удовлетворительное соответствие.
В шестой главе проведен анализ процесса фотозмлесионной зарядки азродпеперсиой системы при нормальном атмосферном и пониженном давлении воздухе. В результате диспергирования капли получали начальный отрицательный заряд. Опыты показали, что в результате фотоэлектронной эмиссии равновесный заряд капель остается отрицательным.
В работе получено условие равновесия заряда капли Qi среднего радиуса \~л с объемным зарядом электронов
где Пя>1 - концентрация электронов в обьеме гэродиснерсной системы, формируемая фотозмлесионным процессом с .-.оллоктива капель. В условиях экспериментов с аэрозолем 4(^>$с)з1 Ширина кинетической зоны Ч.х возрастает с угшіьпениеи давления воздуха. Величина фототека насыщения "Зи1 с поверхности капли среднего радиуса Іт, определяется с учетом ослабления интенсивности излучения яа.иы каплями тумана. Кспцентрация капель П< опеги-валась ее значением в аэрозольном потоке, создаваемом генератором
n„= *мс
"" 4^*W > (9)
где \Х6к и V/йо^ соответственно объемный расход хидкости и воздуха в генераторе.
Концентрация электронов Ґ\» і и заряд капли Q 1 связаны иеяду собой условием сохранения полного зарода в системе
где Qui начальный заряд на калле, определяемый экспериментально рис.4.
Решая численно систему уравнений (8)...(Ю), получаем .зависимость равновесного заряда Qpl на капле среднего радиуса Т от величины ее начального заряда Qhi и зависимость р&ЕНОвес-ной концентрацм! электронов ftpj ст величины начального заряда Qhj.
Начальный а'.ряд нг капле, возникающий в процессе диспергирования хздоюсти, згзвисет от давления воздуха в термобарокамеро Р , довгому расчетные результата представлены в виде зависимости равно:ъсной йоторшсгеонной потери заряда на капле фрч=Ои<- Qpi о? давления воздуха Р в равновесной" концентрации электронов Dpi от давления воздуха Р .
На рис.4 представлены экспериментальные зависимости и расчетная зависимость. Результаты получены для аэрозоля еодного раствора красителя малахитовая зелень с массовой концентрацией 0,5 %. Средний радиус капли составлял f^ =13,8 мкм. Заряд капли измерялся в элементарных зарядах.