Повышение мощности и ресурса высокоэффективных источников ультрафиолетового излучения с дуговым разрядом низкого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ
|
Дроздов, Леонид Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.08
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
/:' :
к:
і
(У
ДРОЗДОВ Леонид Александрович
ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ И РЕСУРСА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
01.04.08 - физика плазмы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
005010591
2 ОЕЗ гш
Москва-2012
005010591
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур РАН и ЗАО «ЛИТ».
диссертационного совета Д 002.110.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединённом институте высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, экспозал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, ОИВТ РАН, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.110.02.
Научные руководители:
доктор физико-математических наук профессор
Василяк Леонид Михайлович; кандидат физико-математических наук Костюченко Сергей Владимирович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук профессор
Атаев Артем Еремович;
доктор физико-математических наук
Лебедев Юрий Анатольевич.
Ведущая организация:
Московский физико-технический институт (государственный университет).
Защита диссертации состоится «
1М» лмот
.2012 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании
Автореферат разослан
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 002.110.02 доктор физико - математических наук
А.Л. Хомкин
© Федеральное государственное бюджетное учреиедение науки
Объединённый институт высоких температур Российской академии наук, 2012
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время метод обеззараживания воздуха, воды и поверхностей при помощи ультрафиолетового (УФ) излучения становится одним из основных. Основными его достоинствами по сравнению с окислительными технологиями является способность инактивировать многие микроорганизмы, против которых неэффективны стандартные реагенты, и отсутствие побочных продуктов химических реакций. Бактерицидным эффектом обладает излучение с длиной волны от 205 до 315 нм, максимум чувствительности микроорганизмов к воздействию УФ приходится на диапазон 250-270 нм. Одним из важных и динамично развивающихся применений УФ технологии является обеззараживание питьевой и сточной воды. Для УФ обеззараживания воды на крупных станциях требуются источники УФ излучения с погонной мощностью 150-400 Вт/м при КПД генерации 35-40 % и полезном сроке службы 12-16 тыс. ч.
Для генерации бактерицидного УФ излучения используют электрический разряд в парах ртути с резонансными переходами 254 и 185 нм. Наиболее высокий КПД (около 40%) генерации линии 254 нм можно получить при использовании дугового разряда низкого давления в парах ртути (5-10 мторр) и инертных газах с давлением несколько торр. Такие давления насыщенных паров ртути возможны при температуре стенок колбы около 40-45 °С при погонной мощности разряда не более 70 Вт/м, поэтому для стабилизации давления паров ртути при более высоких мощностях можно вместо чистого металла использовать сплав ртути - амальгаму. Увеличить мощность амальгамной лампы низкого давления путем увеличения разрядного тока и снижения давления газовой смеси не удается из-за снижения КДП генерации УФ излучения и резкого уменьшения ее ресурса. Литературные данные о свойствах дугового разряда низкого давления при погонных мощностях выше 200 Вт/м, а также о механизмах и процессах, определяющих ресурс амальгамных ламп низкого давления, фактически отсутствуют.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является исследование способов повышения мощности и ресурса источников УФ излучения с дугой низкого давления в парах ртути и инертных газах с сохранением высокого КПД и создание лампы с погонной мощностью не менее 220 Вт/м, с КПД на длине волны 254 нм не менее 38 % и полезным сроком службы не менее 16 тыс. ч.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Провести экспериментальные исследования зависимостей мощности УФ излучения и КПД генерации от разрядного тока, диаметра разрядной трубки, газового наполнения, давления газа.
2. Провести экспериментальные исследование путей повышения мощности разряда при сохранении высокого КПД генерации бактерицидного УФ излучения.
3. Определить основные факторы, влияющие на полезный срок службы амальгамных ламп низкого давления, и предложить способы увеличения ресурса.
4. Разработать рекомендации для создания лампы с погонной мощностью не менее 220 Вт/м, с КПД УФ излучения 254 нм не менее 38 % и полезным сроком службы не менее 16 тыс. ч. при спаде мощности УФ излучения не более 15 %. Изготовить опытную партию ламп.
Научная новизна. Получены экспериментальные данные о свойствах дугового разряда низкого давления в парах ртути и инертных газах при давлениях до 0,3-1,2 торр при плотностях тока до 5.5 А/см2. Показано, что увеличение площади внутренней поверхности разрядных трубок и изменение формы сечения разряда может приводить к увеличению мощности без значительных потерь в КПД. Предложена конструкция разрядной колбы с увеличенной площадью внутренней поверхности для увеличения мощности УФ излучения.
Получено, что при помощи полей постоянных магнитов возможно увеличение мощности УФ излучения разряда без существенных потерь в суммарном КПД. Обнаружено, что при помощи магнитов можно изменять диаграмму направленности излучения, увеличивая мощность излучения по заданным направлениям вокруг разрядной трубки
Разработаны и экспериментально проверены методики оценки эффективности защитных покрытий без проведения длительных ресурсных испытаний ламп.
Показано, что под воздействием плазмы дугового разряда низкого давления происходит изменение рельефа поверхности незащищенного кварца и возрастает ее суммарная площадь. Ионы ртути взаимодействуют с кварцевой стенкой и частично связываются с ней, в результате чего возрастает поглощение резонансного УФ излучения и происходит спад мощности УФ излучения. Защитное покрытие предохраняет кварц от взаимодействия с ионами плазмы.
Показано, что спад мощности УФ излучения определяется свойствами защитного слоя. Он должен быть сплошным, обладать достаточной толщиной и состоять из молекул с высокими энергиями разложения. При этом толщина слоя не должна быть настолько велика, чтобы в нем поглощалось существенная часть полезного УФ излучения. Предложены защитные покрытия, обеспечивающие спад мощности УФ излучения не более 15 % после 16 тыс. ч. работы лампы при погонных мощностях 220 Вт/м.
Разработан источник с длиной разрядного промежутка 145 см, электрической мощностью 325 Вт, мощностью УФ излучения 125 Вт, КПД - 38 %, с разрядным током 3.2 А, сроком службы 16 тыс. ч. при спаде мощности УФ излучения на 15 %.
Практическая и научная ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки амальгамных ламп низкого давления с погонной мощностью 200-400 Вт/м, а также для конструирования установок обеззараживания
с использованием данных источников УФ излучения. Полученные результаты могут быть применены для анализа процессов в плазме дугового разряда низкого давления с высокой плотностью тока. Предложенные защитные покрытия могут быть использованы в различных разрядных устройствах для защиты поверхности от прямого воздействия плазмы разряда.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный источник УФ излучения мощностью 320 Вт серийно выпускается ЗАО «ЛИТ» и широко применяется в установках для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей. К настоящему времени произведено более 150 тыс. таких ламп. Технические решения защищены 3 патентами. Модификация лампы по патенту РФ № 2378736 «Газоразрядная лампа низкого давления» также производится серийно и устанавливается в модули обеззараживания воздуха в ж/д вагонах.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Экспериментальные результаты о свойствах дугового разряда низкого давления в парах ртути и смеси неон-аргон при пониженных давлениях 0.3-1.2 торр с диаметром плазменного столба 11,6-29 мм с плотностью разрядного тока 0.25.5 А/см2. Показано, что для каждого диаметра разрядной трубки, газового наполнения и давления смеси существует оптимальный разрядный ток, когда соотношение мощности УФ излучения и КПД лампы максимально.
2. Технические решения, позволяющие увеличить мощность амальгамных ламп низкого давления путем применения развитой внутренней поверхности и сильных магнитных полей постоянных магнитов.
3. Методики ускоренной оценки эффективности защитных покрытий без проведения длительных ресурсных испытаний.
4. Защитные покрытия, обеспечивающие спад мощности УФ излучения не более 15 % после 16 тыс. ч. работы лампы при погонных мощностях 220 Вт/м. Показано, что при воздействии разрядной плазмы на кварцевую стенку трубки происходит увеличение средних размеров неровностей и рельефа ее поверхности, что интенсифицирует взаимодействие разрядной плазмы с поверхностью. Спад мощности УФ излучения определяется свойствами защитного слоя. Он должен быть сплошным, обладать достаточной толщиной и состоять из молекул с высокими энергиями разложения.
5. Амальгамная лампа низкого давления электрической мощностью 325 Вт, длиной 145 см, КПД 38 %, со сроком службы 16 тыс. ч при спаде мощности УФ излучения 15 %.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 4-й международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново 2005); IV Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала 2006);
Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск
2007); V международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург
2008); V Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала 2008); VI Российский семинар «Современные свойства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва МИФИ 2008); 14th International Conference on Thin Films & Reactive Sputter Deposition (Gent Belgium 2008), научные семинары ЗАО «ЛИТ».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 147 страницах текста, включая 128 рисунок, 19 таблиц и список литературы, насчитывающий 179 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введение обоснована актуальность и практическая ценность работы, сформулированы цель, научная новизна и положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен обзор литературы об источниках бактерицидного УФ излучения. Проведен анализ факторов, влияющих на эффективность генерации бактерицидного УФ излучения, в источниках разных типов. Проведен анализ их основных достоинств и недостатков для бактерицидной обработки различных сред. Сделан вывод, что для УФ обеззараживания в промышленных масштабах наиболее подходит ртутная газоразрядная лампа низкого давления. К моменту начала данной работы были источники УФ излучения с погонной мощностью до 180 Вт/м ресурсом 8000-12000 часов при спаде мощности УФ излучения 20-30 %. Попытки повысить мощность данных источников путем увеличения разрядного тока, снижения давления и облегчения газовой смеси приводили к резкому снижению срока службы и КПД. Постоянное укрупнение объектов промышленного обеззараживания сред диктует необходимость создания источников УФ излучения с погонной мощностью 200-400 Вт/м с полезным сроком службы около 18 тыс. ч. и высоким КПД.
Вторая глава посвящена описанию объекта исследований, экспериментальных установок и методик измерения. Газоразрядное устройство в виде амальгамной лампы представляет собой кварцевую трубку с заштампованными на ее концах оксидными электродами и двумя золотыми пятнами на внутренней поверхности для крепления амальгамы. Стабилизированный разрядный ток в диапазоне 1.5-6.0 А с частотой несколько десятков килогерц обеспечивает электронный источник питания (ЭПРА). Применение высоких плотностей тока приводит к увеличению мощности и тепловыделения лампы, температура стенки может достигать 90-130 °С. В этих условиях применение амальгамы позволяет оптимизировать давление паров ртути.
Для измерения разрядного тока, напряжения и мощности применялся анализатор мощности YOKOGAWA PZ4000 и калиброванный трансформатор тока. Изложена методика измерения мощности УФ излучения от трубчатого протяженного источника света. Приведены измерительные оптические схемы и расчетные формулы для оценки энергетической мощности УФ излучения в предположении равномерной светимости разряда вдоль длины лампы. Мощность УФ излучения рассчитывается по данным облученности от участка лампы, вырезанного диафрагмой. Облученность измеряется при помощи калиброванного вакуумного фотоэлемента. Рассмотрен случай измерения мощности УФ излучения от трубки, с периодическим изменением интенсивности вдоль ее длины. Измерение спектральных характеристик производилось монохроматором МДР-23 и ФЭУ.
Изложены методики измерения коэффициента пропускания кварцевых трубок на длине волны 253.7 нм с помощью спектрофотометра Varian СаггубО с оптоволоконной насадкой. Изложены методики измерений характеристик поверхности кварца на микроуровне при помощи стилус профилографа Dektak 6М и электронного микроскопа ZEISS EV040. Приведены методики ресурсных испытаний амальгамных ламп низкого давления. Описаны методики измерений параметров ламл при работе в установке обеззараживания воды.
В третьей главе приводятся экспериментальные результаты о свойствах дугового разряда низкого давления в парах ртути и смеси неон-аргон при давлении
0.4 -1.2 торр с диаметром плазменного столба 11.6-29 мм с плотностью разрядного тока 0.2- 5.5 А/см2. Вольтамперные характеристики разрядов, зависимости мощности УФ излучения и КПД лампы с межэлектродным расстоянием 145 см приведены на рис. 1-5. Получено, что для увеличения мощности УФ излучения наиболее целесообразно повышать разрядный ток и выбирать оптимальный для него диаметр колбы, согласно экспериментальным данным. Негативным эффектом при росте разрядного тока является снижение КПД генерации УФ излучения, но срок службы лампы значительно не меняется, как в случае снижения давления газовой смеси и увеличения концентрации легкой компоненты газового наполнения, поэтому требуется найти компромисс между мощностью, сроком спужбы и КПД.
Исследованы вопросы увеличения мощности дуги при помощи установки дополнитепьных эпементов, влияющих на разрядную плазму. В качестве таких элементов применялись дополнительные поверхности для гибели заряженных частиц внутри разрядного объема и постоянные магниты. При использовании коаксиальной конструкции колбы с кварцевым стержнем внутри происходящее увеличение мощности разряда бесполезно, так как значительная часть прироста мощности расходуется на нагревание колбы и КПД разряда значительно снижается.
е 140 >
л 120
§ ЮО
1
З- 80
О
2 60
•
А— А • А
. ^ А
45
40 £160
Є 140
35 А 13 1=1 > м 120
30 О 1°о
3- 80
о
2 60
20
а)
15 20 25
Диаметр колбы, мм
со
е 140
л 120
5 100
| 80 о
2 60
Ш — ф
-/Га л •
А-
•
- I |
в)
15 20 25
Диаметр колбы, мм
о 100 о
Щ 80
А—____
—А—^ """-А
» •
• - ■" • "
д)
15 20 _ 25
Диаметр колбы, мм
б)
1-160
ш
в140
:□ ^120
6 100
5? Мощно 05 СО О о ■
г)
15 20 ^ 25
Диаметр колбы, мм
н 160
Ш 140
X е
> 120
ІЗ .о
о 100
о
X 80
З-
о 60
2
[ А
Д-# ^ А • * •
п
10
е)
15 20 25
Диаметр колбы, мм
Рис. 1. Зависимости мощности УФ излучения (треугольник) и КПД (кружок) от внутреннего диаметра колбы при разных токах разряда. Газовое наполнение 60% N6 + 40% Аг, давление смеси 0.8 торр. Ток разряда, А: 1.5 (а) , 2.0 (б), 3.2 (в), 4.0 (г), 5.0 (д), 6.0 (є)
ш
а)
з
О
в)
Рис. 2
160
в140
^120
Й100
§• 80 о
5 60
160
140
120
100
80
60
—•- •••« к2*5*
л А • •
!
лУ
1 3 4 д 6
45
■40*
гз
35 & 3 О)
30 2 3 <Г 25 -
• >* аа і А""^
А"
1 2 6
Ток лампы, А
ш
в140 ^ 120
о Ю° д 80 О
■5 60
б)
лА^
л- "Г'"#
А7 і
:
12 3^ 5 6
45
40
35 7^
I
30
26
20
Ток лампы, А
■ 1 60 і
: 140 | 120 > 100 Г 80
‘ I \
А А ■ * . ! " У
г)
3
Ток л а N
45
40
35 ■х
і
30 р
&
2Ь
20
гии. Зависимость мощности УФ излучения (треугольник) и КПД лампы (кружок) от разрядного тока. 60% №е+40% Аг, 0.8 торр. Диаметр колбы, мм: 29 (а), 22.2 (б), 16.6 (в), 11.6 (г)
Разрядный ток, А
Рис. 3 (слева). Вольт-амперные характеристики при разных диаметрах
Рис. 4 (справа). Вольт-амперные характеристики ламп с внутренним диаметром 25 мм
с разным газовым наполнением
■О-14 0 >
л 1 20
0
01 оо ? ап
35 ^ сх
30 с
а)
Ток лампы. А
>120
и і о о о
80 ^ 60
Ж
в)
Ток лампы, А
Ток лампы, А
СП
1 60
в140 ^1 20 §100
§- 80 О
^ 60
я» _ ' я» л 1
г-— ''ж
Ж)
Ток лампы, А
б)
3 80 О
5 6 о
6 г)
д) 4 5 е)
■4 0 -3 5 £160 ■©140
а: 30 ^ §1 00 X
20 о 2 60
Ток лампы, А
I ‘ і ' ^
А"
^ і ■
•- !
Ток лампы. А
«100 З- 8 0
• " + т ;
з)
Тої? лампы, А
Рис. 5. Зависимости мощности УФ излучения (треугольник) и КПД (кружок) от разрядного тока при использовании разных газовых наполнений. Внутренний диаметр колбы 25 мм. Типы наполнений приведены в табл. 1
Газовая смесь в лампе (для рис. 5)
Литера на рис. 5 Содержание Ые, % Содержание Аг, % Давление, торр
а 30 70 0.50
б 30 70 0.80
в 40 60 0.50
г 40 60 0.65
д 60 40 0.65
е 60 40 0.80
ж 60 40 1.20
3 85 15 0.65
Более эффективной оказалась конструкция колбы, где площадь внутренней поверхности увеличена за счет применения конических выступов направленных внутрь разрядной плазмы (рис. 6). Данная конструкция колбы вносит возмущения в разрядную плазму и распределение УФ излучения лампы становится неоднородным вдоль ее длины, наблюдается периодическая зависимость (рис. 7). Суммарное увеличение мощности УФ излучения может достигать 10-20%. Данный эффект зависит от геометрии колбы, наполнения, давления и разрядного тока. Исследованы лампы с внутренним диаметром 25 мм при наполнении 60/40 Ые/Аг и давлении
О.вторр. Через каждые 15 мм на длине около 140 см были выполнены конические выступы по четыре на каждое сечение (см. рис. 6). Такая модификация колбы позволила увеличить мощность УФ излучения на 10%. Наибольший эффект наблюдался при разрядном токе 2.6 А. Кроме того, применение колбы лампы с развитой внутренней поверхностью позволяет снизить чувствительность мощности УФ излучения на малых мощностях к внешним условиям охлаждения.
•и
Рис. 6. Лампа с увеличенной площадью внутренней поверхности
Исследовано влияние постоянного магнитного поля. При размещении на поверхности колбы лампы мощных магнитов с индукцией около 90 мТл у их поверхности, возможно увеличение суммарной мощности УФ излучения. Для достижения максимального эффекта увеличения мощности УФ излучения необходимо размещать магниты так, чтобы индукция была направлена внутрь колбы лампы. Один магнит, размещенный на поверхности лампы, влечет за собой локальное увеличение мощности УФ излучения положительного столба, при этом
меняется распределение излучения, как вдоль длины лампы, так и вокруг нее. Наиболее целесообразно размещать батарею магнитов вдоль длины всей лампы (рис. 8), это приводит к максимизации эффекта увеличения мощности УФ излучения лампы. При размещении батареи магнитов с размерами 40x10x15 мм вдоль лампы (рис. 9, вверху), магнитная индукция изменяется вдоль длины лампы согласно зависимости, приведенной на рис. 10, а мощность УФ излучения - согласно зависимости, приведенной на рис. 11. При этом среднее увеличение мощности излучения составит около 30 %. При размещении магнитов на поверхности лампы увеличивается напряжение на разрядной трубке. Чем больше магнитов и чем больше их магнитная индукция, тем больше увеличивается напряжение и мощность, но КПД лампы с магнитами немного падает.
Рис. 7. Относительное распределение УФ излучения по длине лампы с модифицированной поверхностью. За 100 % принята интенсивность излучения лампы с цилиндрической внутренней поверхностью
Дополнительные преимущества можно получить при использовании магнитов для перераспределения УФ излучения от разрядной трубки в пространстве. У трубки без магнитов излучение распределено равномерно вокруг нее. При размещении магнитов характер распределения существенно меняется (см. рис. 9-10). По отдельным направлениям мощность УФ излучения поднимается почти на 50 %.
Т77Ж77ЖтУГГЮ^Г77?!У7ЛГ/7?/;ЫУ77Ж77Ж777Г7/Х</7А
□
О
□
о
Рис. 8. Схемы установки магнитов на разрядные трубки
Таким образом, применяя постоянные магниты можно добиться существенного увепичения мощности разряда без больших потерь в КПД генерации УФ излучения. Наиболее эффективно постоянные магниты могут быть использованы для увеличения мощности излучения ламп типа Р1_1_. Эти лампы представляют собой две близко расположенные разрядные трубки, на одном конце которых стоят оксидные электроды, а на другом конце - соединяющая разряд перемычка. При близком расположении разрядных трубок 10-15 % УФ излучения теряется из-за того, что трубки затеняют друг друга. Поэтому, постоянные магниты не только
увеличивают мощность лампы, но и, находясь в зоне затенения, не снижают существенно поток УФ излучения по одному из направлений вокруг лампы.
Рис. 9 (слева). Угловое распределение УФ излучения от участка лампы, на котором установлен постоянный магнит
Рис. 10 (справа). Угловое распределение УФ излучения от участка лампы, на котором установлено два магнита, ориентированных перпендикулярно друг другу
1 ' V 1 т--т - 1
. А ч 2\ 3
■ \
\ 1 1
\ \ _уу ... ,,
1000
Время работы лампы, ч
Рис. 11. Зависимости мощности излучения ламп с ограниченным количеством ртути от времени работы:
1 — для непокрытой лампы; 2 и 3 - для ламп с разным способом нанесения покрытия
В четвертой главе рассмотрены вопросы срока службы амальгамных ламп низкого давления. Срок службы с одной стороны определяется временем горения разряда (фактический срок службы), а с другой временем обеспечения требуемого уровня мощности УФ излучения лампы (полезный срок службы. Приводятся экспериментальные данные по фактическому сроку службы памп с разным газовым наполнением. Показано, что при оптимальном выборе конструкции и методики обработки электродного узла,
выбирая правильное газовое наполнение, можно получить амальгамную лампу низкого давления с погонной мощностью 220 Вт/м и фактическим сроком службы до 18 тыс. ч.
Однако высокий фактический срок службы не дает гарантию, что таким же будет и полезный срок службы. Из-за деструкции внутренней стенки разрядной трубки под воздействием плазмы дугового разряда происходит ее потемнение, в результате снижается мощность УФ излучения, генерируемая лампой. Известно, что защитные покрытия из оксидов металлов могут замедлять данный негативный процесс. Разработку таких покрытий существенно усложняет тот факт, что на их
испытание уходит много времени, которое сравнимо со средним полезным сроком службы 8-12 тыс. ч. Приводятся экспериментальные зависимости мощности УФ излучения от времени горения разряда для ламп с защитным покрытием и без него. Рассматриваются особенности работы ламп низкого давления в условиях ограниченного количества ртути и без нее при горении разряда в инертных газах. Приводятся методики испытаний эффективности защитных покрытий для ламп низкого давления. Показано, что при работе лампы низкого давления с ограниченным количеством амальгамы происходит постепенный уход ртути из разряда со снижением мощности УФ излучения, при этом характер зависимости мощности УФ излучения от времени работы экспериментальной лампы определяется эффективностью работы защитного покрытия.
Приведены результаты исследований работы защитных покрытий из различных материалов, а также комплексных покрытий, при изготовлении которых использовано несколько составляющих. Результаты испытаний покрытий из различных материалов иногда противоречивы, поэтому прямой зависимости между материалом покрытия и его стойкостью к воздействию разрядной плазмы нет. Определяющими факторами являются не только сам материал, но и структура покрытия. Например, оксиды иттрия и алюминия, нанесенные двумя слоями, показывают себя хуже, чем комплексное покрытие, состоящее из слоя окиси алюминия и слоя окиси иттрия.
Изучены защитные свойства покрытия в зависимости от его толщины. Приводятся основные экспериментальные данные по апробации методик ускоренной оценки качества защитного покрытия. Свойства покрытия рассматриваются на примере ламп без ртути, с ограниченным количеством ртути и обычных амальгамных ламп низкого давления, где закладывается избыточное количество ртути. В смеси инертных газов без ртути при увеличении количества слоев защитного покрытия нелинейно возрастает время горения дугового разряда. Таким образом, бопее толстое покрытие позволяет, существенно замедлять процессы модификации разрядной плазмы при горении дуги низкого давления в инертных газах. Также можно заключить, что модификация разрядной плазмы главным образом связана с продуктами реакции разрядной плазмы и стенки колбы. Зависимость времени горения разряда от количества слоев покрытия приведена ниже (рис. 12).
В условиях ограниченности запасов ртути в ламповой колбе после некоторого времени работы из-за падения давления ртутных паров, линии ртути практически не присутствуют в спектре разряда. При измерении зависимости мощности УФ излучения таких ламп отчетливо виден момент, где начинается падение давления паров ртути в разряде — резкий перегиб в кривой, сопровождающийся изменением электрических параметров разряда.
Показано, что время, проходящее до перегиба, существенно зависит от количества слоев или толщины защитного покрытия (рис. 13), чем толще покрытие, тем большее время проходит до того момента, как начинает сказываться недостаток паров ртути в разряде. Таким образом, защитное покрытие замедляет процесс ухода ртути из разряда. При нанесении дополнительных слоев защитного покрытия его эффективность растет, при этом нанесение второго и третьего слоев дают существенно больший относительный эффект нежели нанесение первого и четвертого слоев. Таким образом, оптимальное количество слоев с технологической точки зрения - это три, так как дальнейшее увеличение их количества дает малый эффект. Это было подтверждено полноценными ресурсными испытаниями с лампами, в которых были использованы защитные слои с различной толщиной (рис. 14).
О 1 2 3 4
Количество слоев защитного покрытия
Рис. 12. Зависимость времени горения ламп без ртути от количества слоев защитного покрытия. Один слой покрытия приблизительно соответствует 1525 нм его толщины
„ „ Время работы лампы, ч
Время раооты лампы, ч
Рис, 13 (слева). Зависимости мощности УФ излучения от времени работы ламп, работающих без избытка ртути, с разным количеством слоев защитного покрытия:
О - без покрытия; 1 - один слой; 2 - два слоя; 3 - три слоя; 4 - четыре слоя
Рис. 14 (справа). Результаты ресурсных испытаний ламп с разным количеством слоев покрытия:
О - без покрытия; 1 - один слой; 2 - два слоя; 3 - три слоя; 4 - четыре слоя
Данные эксперименты были призваны подтвердить эффективность методик оценки качества защитного покрытия с использованием экспериментальных ламп без ртути и с ограниченным количеством ртути. Основные результаты ресурсных испытаний приведены на рис. 14. Показано, что с увеличением толщины защитного покрытия растет его эффективность по ограничению скорости падения мощности УФ излучения по мере работы лампы. Как и в случае ламп с ограниченным количеством ртути, можно говорить, что наиболее эффективным является трехслойное покрытие,
а дальнейшее нанесение слоев дает малый эффект, при этом снижая общее пропускание УФ излучения через стенки колбы.
Экспериментально показано, что даже при использовании одного и того же материала, защитное покрытие может обладать различными свойствами, которые зависят от толщины покрытия и, в частности, от количества слоев. Оценка эффективности покрытия может быть проведена ускоренным методом без проведения полноценных ресурсных испытаний. Приведены основные экспериментальные результаты по апробации и этих методик. Наиболее достоверные результаты у методики, использующей лампы с ограниченным количеством ртути, однако при использовании ламп без ртути результат можно получить значительно быстрее. Изучена модификация поверхности кварца при воздействии на него плазмы разряда низкого давления в парах ртути и инертных газах. Показано, что после длительного воздействия разрядной плазмы значительно изменяется рельеф поверхности. По результатам измерений профиля поверхности видно, что на образцах кварца до воздействия плазмы характерный размер неровностей составляет 50-100 нм, после воздействия разрядной плазмы 3001200 нм (рис. 15).
1200 I 1000 3 800 с 600Й 400 8 200
I о § -200 5 -400 4 -600
; 12С0 11000 I 800 »* 600 ; 400 : 200
! 0 | -200 ■ -400 -600
0 500 1000 1500 2000
Координата сканирования, мкм
0 500 1000 1500 2000
Координата сканирования, мкм
Рис. 15. Профили поверхности чистого кварца до (слева) и после (справа) обработки дуговым разрядом низкого давления в парах ртути и инертных газах. Время обработки 12 тыс. ч.
Рис. 16. Поверхность чистого кварца до (слева) и после (справа) обработки дуговым разрядом низкого давления в парах ртути и инертных газах. Время обработки более 12 тыс. ч. Отрезок на фотографии слева соответствует одному микрометру, белая полоса на фотографии справа соответствует одному микрометру
Рис. 17. Поверхности кварца с одним слоем покрытия до (слева) и после (справа) воздействия плазмы. Время воздействия 6 ч.
Рис. 18. Поверхности кварца с двумя слоями покрытия до (слева) и после (справа) воздействия плазмы. Время воздействия 24 ч.
Рис. 19. Поверхность кварца с тремя слоями покрытия до (слева) и после (справа) воздействия плазмы. Время воздействия 170 ч.
Рис. 20. Поверхность кварца с четырьмя слоями покрытия до (слева) и после (справа) воздействия плазмы. Время воздействия 500 ч.
Данные электронной микроскопии подтверждают этот факт (см. рис. 16). Элементный анализ поверхности показывает наличие в ней ртути. При воздействии плазмы на кварцевую стенку растет общая площадь поверхности. Таким образом, растет общая масса ртути, связанная на кварцевой стенке, а чем больше атомов ртути, тем сильнее может поглощаться в стенке резонансное излучение на длине волны 254 нм.
Описаны исследования микроструктуры защитных слоев разной толщины и их модификации при воздействии разрядной плазмы в смеси инертных газов. На рис. 17-20 приведены результаты съемок покрытий различной толщины на электронном микроскопе. Как уже описывалось ранее, более толстое защитное покрытие позволяет поддерживать разряд в инертных газах более долго. В силу этого фактора время воздействия на поверхность было разным в зависимости от толщины защитного слоя и составляло от 6 до 500 ч. Показано, что защитный слой разрушается. Более толстый слой позволяет отдалить этот момент, так как для его разрушения и получения доступа к кварцу нужно большее время.
В случае разряда с добавкой ртути происходит сходный процесс, однако, результаты реакций несколько другие. Ионы ртути, взаимодействуя со стенкой, отдают ей меньшую энергию при рекомбинации. Кроме того, они могут связываться на стенке, чего не наблюдается в случае инертных газов. В седьмом параграфе показано, что при длительном воздействии плазмы разряда с ртутью на кварц с защитным покрытием происходит его разрушение, а на участках с открытым кварцем присутствует ртуть, которой практически нет на участках с покрытием. На рис. 21 приведены микрофотографии поверхности колбы с покрытием после воздействия плазмы в течение 10 тыс. ч. Элементный анализ данных участков подтверждает сделанные выводы, кроме того, можно отметить, что на светлых участках интенсивность ртутных пиков меньше, чем на темных участках (рис. 22).
Рис. 21. Внутренняя поверхность лампы с покрытием после 10 тыс. ч. работы
Рис. 22. Элементный анализ различных участков поверхности с покрытием, отработавшей
10 тыс. ч. Вверху - спектр светлого участка, где сохранилось покрытие, внизу - спектр темного участка, где защитный слой разрушен
Приведенные экспериментальные данные позволяют предполагать, что основным механизмом при взаимодействии плазмы с поверхностью является рекомбинация основных ионов плазмы на стенке. При этом ионы отдают стенке энергию равную сумме потенциала ионизации и кинетической энергии, приобретенной в электрическом поле, обуславливающем амбиполярную диффузию. Данная энергия может идти как на возбуждение колебаний кристаллической решетки и нагрев стенки, так и на образование дополнительных дефектов в структуре стенки и защитного слоя.
Показано, что при работе лампы низкого давления происходит значительное воздействие плазмы газового разряда на внутреннюю поверхность колбы, и происходит ее структурная модификация. Кварцевое стекло в большей степени подвержено разрушению под действием потока ионов амбиполярной диффузии, чем защитные оксидные покрытия. Защитный слой подвержен разрушению в агрессивной среде разрядной плазмы. Поэтому толщина слоя лишь определяет
время его разрушения. При этом не обязательно разрушать слой полностью, для проявления пагубных эффектов взаимодействия разрядной плазмы с кварцем достаточно наличия небольшой площади открытого кварца.
Таким образом, основная функция покрытия заключается в изоляции поверхности кварцевого стекла от ионной бомбардировки из плазмы дугового разряда. По мере работы лампы покрытие постепенно разрушается, и ионы ртути (или инертного газа) получают доступ к кварцу. При взаимодействии ионов с кварцем и наступают основные негативные явления, приводящие к сокращению срока службы ламп.
Пятая глава посвящена разработке и применению источника УФ излучения с мощностью 320 Вт при КПД разряда 38.5 % на основании полученных экспериментальных данных.
По результатам исследований была выбрана конструкция амальгамной лампы низкого давления. Изготовлена опытная партия ламп в количестве 50 штук. Усредненные параметры ламп из опытной партии приведены в табл. 2 и соответствуют поставленным целям.
Таблица 2
Параметры опытной партии ламп
Рламп. Г254, /памп, ^памп. Г,
Вт Вт А В кГц
Среднее зн. 319.1 127.3 3.20 99.9 35.44
Станд. Откп. 5.7 2.6 0.01 1.8 0.33
Пять ламп из опытной партии были отобраны случайным образом для ресурсных испытаний. Усредненная по партии зависимость мощности УФ излучения
от времени работы приведена на рис. спаде 15 % более 16 тыс. ч.
Рис.
Время работы, ч
23. Усредненная зависимость мощности УФ излучения от времени работы ламп из опытной партии. 100 %
соответствует 125.8 Вт. Средняя мощность УФ излучения на конец срока службы равна 108.2
23. Эффективный срок службы ламп при
В заключительной главе рассмотрены вопросы работы амальгамной лампы низкого давления в кварцевом чехле с водяным охлаждением. Приведены результаты и методики тепловых расчетов режимов работы лампы. Проанализировано соответствие данных результатов экспериментальным данным измерений. Определены способы обеспечения температурного режима.
Приведен пример реальной установки, в которой использовано 36 ламп, расход воды 450 м3/ч. Для
установки выполнен расчет распределения интенсивности УФ излучения (рис. 24) при разных значениях пропускания воды.
Рис. 24. Распределение интенсивности УФ излучения в сечении установки УДВ36А350 при пропускании воды 95 %/см (слева) и 60 %/см (справа). Шкала приведена в Вт/м2. Состояние на конец срока службы лампы
Опыт работы водоочистной станции в г. Кронштадт, где работают 4 установки УДВ36А, свидетельствует об успешном применении разработанных в рамках данной работы бактерицидных амальгамных ламп. За 3 года эксплуатации УФ установок при прохождении еженедельных микробиологических тестов обработанной воды величина ОМЧ не превышала установленные СЭС нормы.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Получены экспериментальные результаты о свойствах дугового разряда низкого давления в парах ртути и смеси неон-аргон при пониженных давлениях 0.3 -1.2торр с диаметром плазменного столба 11,6-29 мм с плотностью разрядного тока 0.2-5.5 А/см2, позволяющие разрабатывать амальгамные лампы низкого давления с погонной мощностью 200-400 Вт/м. Обнаружено, что насыщение мощности УФ излучения при росте тока разряда до 6.0 А не достигается, и существует возможность увеличения разрядного тока и повышения мощности УФ излучения. Показано, что для каждого диаметра разрядной трубки, газового наполнения и давления смеси существует оптимальный разрядный ток, когда соотношение мощности УФ излучения и КПД лампы максимально.
2. Предложена конструкция разрядной колбы с развитой внутренней поверхностью, позволяющая увеличить мощность разряда на величину до 20 % и снизить чувствительность параметров лампы к условиям внешней среды.
3. Показано, что при использовании внешнего магнитного поля с составляющей, направленной перпендикулярно разрядному току, изменяется распределение излучения вокруг разрядной трубки и возрастает его суммарная средняя
4. Показано, что при воздействии разрядной плазмы на внутреннюю стенку трубки происходит увеличение средних размеров неровностей и рельефа ее поверхности. Такая модификация ведет к увеличению суммарной площади поверхности, что интенсифицирует взаимодействие разрядной плазмы с поверхностью колбы. В случае использования защитного покрытия на кварце происходит постепенное разрушение защитного слоя с образованием непокрытых участков. Чем быстрее разрушается покрытие и чем больше участков кварца открыты для плазмы, тем быстрее идут процессы осаждения ртути на стенке. Показано, что спад мощности УФ излучения определяется особенностями структуры защитного слоя, который должен быть сплошным, обладать достаточной толщиной и состоять из молекул с высокими энергиями разложения. Толщина слоя не должна быть велика, чтобы в нем не поглощалась существенная часть полезного УФ излучения. Предложены методики ускоренной оценки эффективности защитного покрытия. Разработаны защитные покрытия, способные противостоять воздействию плазмы до 16 тыс. ч. работы амальгамной лампы.
5. Разработана амальгамная лампа с мощностью бактерицидного УФ излучения 125 Вт, электрической мощностью 320 Вт, с длиной разрядного промежутка 145 см, с КПД 38.5 %, с полезным ресурсом работы 16 тыс. ч. и спадом УФ излучения не более 15 % на конец срока службы. Разработанная лампа серийно выпускается в ЗАО «ЛИТ» и применяется в широком спектре оборудования для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей в промышленных масштабах.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах из списка ВАК:
1. Василях Л. М., Дроздов Л. А, Костюченко С. В., Кудрявцев Н. Н„ Соколов Д. В., Микаева С. А. Экспериментальные исследования генерации УФ излучения дуговым разрядом низкого давления // Инженерная физика. 2008. № 5. С. 32-35.
2. Василяк Л. М., Дроздов Л. А., Соколов Д. В., Костюченко С. В., Кудрявцев Н. Н. Определяющие факторы ресурса бактерицидных ртутных ламп низкого давления // Светотехника. 2008. № 6. С. 8-10.
3. Дроздов Л. А. Защитные покрытия для газоразрядных ламп низкого давления // Перспективные материалы. Специальный выпуск (5). Материалы V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. М., 2008. С. 656-658.
4. Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Кузьменко М.Е., Соколов Д.В., Минаева С.А. Особенности применения амальгамных ламп в установках по обеззараживанию воды // Приборы системы управление контроль диагностика. 2009. № 1. С. 17-23.
5. Василяк Л.М., Васильев А.И., Дроздов Л.А, Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Защитное покрытие лампы низкого давления с парами ртути как решающий фактор срока ее службы II Прикладная физика. 2009. № 1. С. 120-124.
Патенты РФ:
6. Васильев А.И., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н. Н., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Способ улучшения электрических и световых характеристик газоразрядных ламп // Патент РФ N“2319251.10 марта 2008 г.
7. Кудрявцев Н.Н., Костюченко С.В., Соколов Д.В., Дроздов Л.А. Газоразрядная лампа низкого давления // Патент РФ №2378736. 10 января 2010 г.
8. Кудрявцев Н.Н., Костюченко С.В., Соколов Д.В., Васильев А.И., Дриго А.Л., Дроздов Л.А., Старцев А.Ю., Собур Д.А., Моисеенко Т.А. Газоразрядная амальгамная лампа низкого давления И Патент РФ №2396633.10 августа 2010 г.
Публикации в тезисах конференций:
9. Drozdov LA. The features of protective coating in low pressure power discharge lamps
II Proceedings of ICTF14&RSD2008. Gent. 2008. P. 200-203.
10.Василяк Л.М., Дроздов Л.А. Костюченко С.В. Методика ускоренной оценки ресурса ртутных ламп низкого давления II Сб. докладов. VI Российский семинар «Современные свойства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды». МИФИ. М., 2008. С. 60-63.
11. Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кузьменко М.Е., Печеркин В.Я. Исследование взаимодействия плазмы с поверхностью кварца в газоразрядных лампах низкого давления // Сборник материалов 4-г о международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново. 2005. С. 421-423.
12.Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Печеркин В.Я., Соколов Д.В., Старцев А.Ю., Хаецкий Д.П. Обработка кварцевой колбы газоразрядной лампы и ее электрода на откачном посту без применения внешнего нагрева // Материалы IV Всероссийской конференции «Физическая электроника 2006». ДГУ. Махачкала. С. 81-84.
13. Васильев А.И., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н. Н., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Качество защитного покрытия внутренней стороны колбы
14. Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Применение коаксиальной конструкции колбы амальгамной кварцевой пампы низкого давления II Источники излучения: межвузовский сборник научно-технических работ под ред. В.К. Свешникова; Мордовский государственный педагогический институт. Саранск. 2007. С. 37-40.
15.Дроздов Л.А., Василяк Л.М., Костюченко С.В., Соколов Д.В. Мощный источник бактерицидного ультрафиолетового излучения с дуговым разрядом низкого давления // Материалы пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург. 2008. Т12. С. 185-187.
16. Василяк Л.М., Васильев А.И., Дроздов Л.А., Моисеенко Т.А., Костюченко С.В., Соколов Д.В., Старцев А.Ю., Кудрявцев Н.Н. Особенности защитных свойств тонких оксидных пленок на кварце при воздействии плазмы дугового разряда низкого давления // Сб. материалов 5-го международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново. 2005. Т. 1. С. 340-342.
17.Василяк Л.М.,. Дроздов Л.А. Спад мощности УФ излучения в ртутных лампах низкого давления II Материалы V Всероссийской конференции «Физическая электроника 2008». ДГУ. Махачкала. С. 84-86.
18. Дроздов Л.А. Увеличение и перераспределение мощности УФ излучения амальгамных ламп низкого давления при помощи полей постоянных магнитов II Материалы VI Всероссийской конференции «Физическая электроника 2010». ДГУ. Махачкала. С. 157-159.
Дроздов Леонид Александрович
ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ И РЕСУРСА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
Автореферат
Подписано в печать 10.11. 2011 Формат 60x84/16
Печать офсетная Уч. -изд. л. 1,38 Уел. -печ.л. 1,27
Тираж 100 экз.______________________Заказ № 10____________________Бесплатно
ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2
61 12-5/1942
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК_
На правах рукописи
ДРОЗДОВ ЛЕОНИД АЛЕКСАНДРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ И РЕСУРСА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
01.04.08 - физика плазмы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
Василяк Леонид Михайлович
Научный консультант:
кандидат физико-математических наук,
Костюченко Сергей Владимирович
Москва-2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................3
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................................6
1.1. Обеззараживание УФ излучением......................................................................................................6
1.2. источники бактерицидного УФ излучения......................................................................................8
1.2.1. Газоразрядные источники низкого давления....................................................................................8
1.1.1. Газоразрядные источники среднего и высокого давления............................................................29
1.1.2. Газоразрядные импульсные источники...........................................................................................34
1.1.3. Эксимерные источники излучения...................................................................................................38
1.1.4. Газоразрядные безэлектродные источники...................................................................................40
1.1.5. Полупроводниковые диоды...............................................................................................................45
1.3. заключение к обзору литературы.....................................................................................................46
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ......................................47
2.1. Объект исследований - амальгамная лампа низкого давления...............................................47
2.2. Измерение электрической мощности лампы, напряжения на лампе и тока лампы.............51
2.3. Измерение мощности излучения лампы.........................................................................................53
2.4. Измерение пропускания и спектра пропускания стенки колбы лампы...................................59
2.5. Измерение спектральных характеристик лампы..........................................................................60
2.6. Методика ресурсных испытаний ламп...........................................................................................62
2.7. Измерение зависимости мощности УФ излучения лампы от температуры воды (водяной эксперимент). Моделирование работы ламп в реальных условиях........................................................64
2.8. измерения микро характеристик покрытия на профилографе и электронном микроскопе 66
3. ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ В АМАЛЬГАМНЫХ ЛАМПАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ............67
3.1. Влияние диаметра разрядной трубки на мощность разряда и КПД генерации УФ излучения в амальгамных лампах низкого давления..................................................................................................67
3.2. Влияние межэлектродного расстояния в амальгамных лампах низкого давления на мощность УФ излучения и КПД генерации..................................................................................................72
3.3. Зависимость параметров амальгамных ламп низкого давления от разрядного тока.........73
3.4. Зависимость параметров амальгамных ламп низкого давления от состава и давления газового наполнения........................................................................................................................................77
3.5. Применение коаксиальной конструкции колбы лампы для повышения мощности амальгамных ламп низкого давления..........................................................................................................83
3.6. Применение колбы сложной формы с развитой внутренней поверхностью для повышения мощности амальгамных ламп низкого давления......................................................................................85
3.7. Рост мощности УФ излучения под воздействием поля мощных постоянных магнитов. ... 89
3.8. Заключение к главе 3..........................................................................................................................94
4. ПОВЫШЕНИЕ ПОЛЕЗНОГО РЕСУРСА АМАЛЬГАМНОЙ ЛАМПЫ............................................96
4.1. Фактический срок службы лампы низкого давления..................................................................96
4.2. Полезный срок службы лампы низкого давления........................................................................99
4.3. Защитное покрытие из различных материалов...........................................................................104
4.4. Защитные свойства покрытия в зависимости от толщины слоя............................................107
4.5. воздействие плазмы дуги низкого давления в парах ртути и инертных газах на чистый кварц. 111
4.6. воздействие плазмы дуги низкого давления в инертных газах на кварц с покрытием.....114
4.7. Рекомбинационная модель взаимодействия плазмы дугового разряда с поверхностью
кварца и покрытия...........................................................................................................................................117
4.8. Заключение к главе...........................................................................................................................119
5. ПРИМЕНЕНИЕ АМАЛЬГАМНОЙ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ..........................................121
5.1. разработка серийного источника бактерицидного УФ излучения (лампы ДБ350).............. 121
5.2. Особенности применения амальгамной лампы для обеззараживания воды.......................124
5.3. Методы расчета установок обеззараживания воды..................................................................129
5.4. Практическое применение ламп ДБ350......................................................................................... 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................................................137
ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................................................139
Введение.
В настоящее время широкое распространение получает метод обеззараживания различных сред при помощи ультрафиолетового (УФ) излучения. Его используют для снижения уровня патогенной микрофлоры в воде, воздухе и на различных поверхностях. В ряде приложений УФ обеззараживание используется в промышленных масштабах, например, для бактерицидной обработки питьевой и сточной водопроводной воды или для обработки воздуха в системах центрального кондиционирования зданий. Ужесточение экологических требований по обработке воды и воздуха существенно затрудняет и усложняет применение традиционных технологий обеззараживания, таких как хлорирование и озонирование. Кроме того, против отдельных видов опасных бактерий и вирусов они просто бессильны.
Метод УФ обеззараживания становится, эффективен при обеспечении определенной дозы облучения на единицу объема обрабатываемой среды. При этом, бактерицидным эффектом обладает только излучение жесткого ультрафиолета в диапазоне 205-315 нм. Максимум бактерицидной эффективности приходиться на промежуток 250-270 нм. При использовании УФ обеззараживания в промышленных масштабах одной из актуальных задач становиться скорость бактерицидной обработки среды. Доза УФ облучения должна быть обеспечена за максимально короткий промежуток времени. Для этого требуются мощные, эффективные и экологически безопасные источники бактерицидного УФ излучения.
Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяет дуговой разряд низкого давления в парах ртути и инертных газах. Давление паров ртути составляет 5-10 мТорр, а давление инертных газов (чаще всего неона или аргона) 0.1-3.0 Topp. При таких условиях около 40% от электрической мощности разряда переходит в излучение на резонансной линии ртути 253.7 нм. Погонная мощность ртутных ламп низкого давления составляет около 70Вт/м. Для ряда применений, в частности для промышленного обеззараживания воды, требуются источники излучения с погонной мощностью 100400 Вт/м. Эту задачу частично решают амальгамные лампы низкого давления, однако освоено промышленное производство ламп с погонной мощностью не более 150-200 Вт/м и сроком службы 8-12 тысяч часов. В условиях современных реалий происходит постоянное укрупнение объектов водоподготовки с использованием оборудования для УФ обеззараживания. Далеко не всегда можно увеличить расход обрабатываемой воды экстенсивным путем, наращивая количество камер обеззараживания и количество ламп. Этот путь пагубен и с точки зрения материалоемкости и конечной стоимости оборудования, а также удобства технического обслуживания установок. В силу этих обстоятельств, для обеспечения достаточной скорости обработки воды с приемлемыми гидродинамическими потерями и материалоемкостью производства, требуются источники излучения с погонной мощностью 200-400 Вт/м и КПД генерации 35-40%. Полезный срок службы источников должен составлять не менее 16000 часов, что соответствует примерно 2-м годам непрерывной эксплуатации. Увеличить мощность имеющихся амальгамных ламп низкого давления стандартными методами, скажем увеличением разрядного тока или снижением давления рабочей смеси невозможно из-за резкого снижения срока службы и КПД ламп. Вместо 12-16 тысяч часов такие модифицированные лампы работают с приемлемым уровнем мощности УФ излучения только 2-5 тысяч часов.
В настоящее время отсутствуют полные данные о свойствах ртутного разряда низкого давления при плотностях тока до 5.5 А/см2 и пониженных давлениях смесей буферных газов. В литературе в основном упоминаются исследования разряда в инертных газах одного типа при малых плотностях тока, при этом сам разрядный ток меняется с частотой 50-60 Гц. Есть несколько публикаций по исследованию данных разрядов с плотностями тока до 2 А/см2, с частотой изменения в десятки килогерц. Такую частоту позволяют обеспечить электронные источники питания, получающие все большее
распространение и мощность которых может быть увеличена стандартными приемами схемотехники.
Мало данных в литературе о влиянии увеличения мощности разряда на ресурс кварцевых ртутных ламп низкого давления. Практически отсутствуют экспериментальные данные о роли защитного покрытия на внутренней поверхности кварца и его влиянии на скорость падения мощности УФ излучения данных источников света. Также отсутствуют опытные результаты, описывающие механизмы работы защитных покрытий.
Основной целью данной работы являлся исследование возможности повышения мощности и ресурса источников УФ излучения с дугой низкого давления в парах ртути и инертных газах с сохранением высокого КПД. Создание лампы с погонной мощностью не менее 220 Вт/м, с эффективностью генерации УФ излучения на длине волны 254 нм не менее 38% и полезным сроком службы не менее 16-и тысяч часов.
В настоящей работе проведены исследования свойств разряда низкого давления в парах ртути и инертных газах при различных конфигурациях разрядных трубок и в широком диапазоне плотностей разрядного тока. Рассмотрены пути повышения мощности, и эффективности разряда Приведены данные о ресурсе разрядных ламп низкого давления. Рассмотрены механизмы работы защитного покрытия внутренней стороны кварцевой стенки. Исследована модификация стенки по мере горения разряда и влияние этих процессов на спад мощности УФ излучения ртутных ламп низкого давления высокой мощности.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Первая глава - обзор литературы, посвящена рассмотрению особенностей различных источников УФ излучения и их бактерицидной эффективности. Показывается, что именно ртутный разряд низкого давления обладает высоким КПД, а лампы на его основе имеют длительный срок эксплуатации и наиболее подходят для обеззараживания различных сред в промышленных масштабах. Рассматриваются конструктивные особенности ртутных ламп низкого давления, влияющие на их мощность. В главе приведены технические характеристики ламп низкого давления, выпускаемых ведущими мировыми производителями. Приведены литературные данные о влияние особенностей конструкции электродного узла и защитного покрытия на внутренней стороне кварцевой стенки разрядной трубки на полезный срок службы ртутных ламп низкого давления.
Вторая глава диссертации посвящена описанию используемых экспериментальных установок и применявшихся методик для исследования источников УФ излучения низкого давления.
В третьей главе приводятся экспериментальные результаты исследований свойств ртутного разряда низкого давления в кварцевых трубках с внутренним диаметром от 11.6 до 29.0 мм, при длине разрядного промежутка от 110 до 230 см, при разрядных токах от 1.5 до 6.0 А и разных типах газового наполнения при давлениях рабочей смеси от 0.5 до 1.2Торр. Исследуются различные способы повышения мощности в разряде, анализируются их достоинства и недостатки.
В четвертой главе рассматриваются особенности ресурса ртутных ламп низкого давления высокой мощности. Приведены экспериментальные данные о влиянии на ресурс конструкции электродного узла и свойств защитных покрытий на внутренней стороне кварцевой колбы. Исследована модификация защитного покрытия по мере работы разрядной лампы низкого давления. Рассмотрены возможности проведения ускоренных ресурсных испытаний ртутных ламп низкого давления и приведены методики таких испытаний.
В пятой главе приводится пример разработки лампы низкого давления с мощностью УФ излучении 125 Вт и КПД 38% при длине разрядного промежутка 145 см. Рассматривается аспекты применения данных ламп для обеззараживания воды. В том числе и трудности, возникающие в данном приложении. Приводятся общие рекомендации по оптимизации конструкции установок обеззараживания воды.
В заключении диссертации сформулированы основные выводы по результатам исследований и методам создания промышленных источников УФ излучения на основе ртутного разряда низкого давления.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах 158-И 79.
1. Обзор литературы.
1.1. Обеззараживание УФ излучением.
Бактерицидным является электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 205315 нм. Кванты УФ излучения обладают высокой энергией по сравнению с фотонами видимого света и оказывают влияние разной степени на ткани и клетки живых организмов.
«
к к
СЗ
m к
cS &
so л
<D Ю О
Л №
<d К и
е-
о
1.0 -
0.8 -
0.6 -
0.4 -
0.2 -
0.0
220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320
Длина волны, нм
Рисунок 1.1 Кривая бактерицидной эффективности УФ излучения.
Эффективность бактерицидного действия характеризуется кривой относительной спектральной бактерицидной эффективности, которая практически одинакова для различных видов микроорганизмов - бактерий, вирусов, грибков и простейших одноклеточных (Рисунок 1.1) [1]. Облучение УФ излучением бактерицидного диапазона летально для большинства водных бактерий, вирусов, спор и протозоа. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, атипичная пневмония, птичий и свиной грипп, полиомиелит и многие другие.
Понимание механизма УФ обеззараживания было достигнуто в 60-х годах на основе физического воздействия излучения на молекулы ДНК. Основным его результатом является разрушение водородных связей пурин пиримидиновых димеров молекулы ДНК, которые стабилизируют двойную спираль (Рисунок 1.2) [2]. 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 приносит меньший вред организму т. к. они могут быть восстановлены при наличии неповрежденной ДНК.
Из вышесказанного можно заключить, что для надежной иннактивации отдельного вида микроорганизма необходима определенная доза облучения. Как правило, ее величина определяется экспериментально и зависит от особенностей строения
конкретных клеток. Например, есть четкое деление на прокариотические и эукориотические 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 (Protozoa), генетический материал сосредоточен в специальной органелле - ядре, защищенным дополнительной мембраной. Таким образом, дозы облучения, необходимые для борьбы с разными видами организмов могут отличаться на порядки, хотя 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.
Рисунок 1.2. Характерные повреждения молекул ДНК под действием УФ излучения.
При УФ облучении микроорганизмов наблюдается экспоненциальная зависимость между числом выживших микроорганизмов от начального уровня и значением дозы облучения Н: № = Шехр(-кН), где М) - число выживших микроорганизмов после облучения; N0 - начальное число микроорганизмов; к - константа, характеризующая степень чувствительности данного вида микроорганиз
