Журналов:     Статей:        

Математика и математическое моделирование. 2017; : 54-69

Ультрафиолетовое излучение импульсно–периодических разрядов высокого давления в ксеноне

Филиппов М. В., Коробков С. С., Градов В. М., Желаев И. А.

https://doi.org/10.24108/mathm.0617.0000095

Аннотация

Импульсные ксеноновые лампы высокого давления в кварцевой оболочке, работающие в режимах периодического следования импульсов, несмотря на появление источников УФ- излучения других типов остаются важнейшим компонентом технологического оборудования, применяемого в фотохимии, фотомедицине, наноэлектронике, биологии и т.д. Главные их достоинства -  высокая мощность и энергия излучения - несколько обесценивает относительно низкая эффективность излучения в коротковолновой области. Имеющиеся литературные данные о влиянии различных факторов на уровень энергии коротковолнового излучения разрядов в ксеноне нуждаются в систематизации и обобщении, т.к. они получены в условиях неконтролируемого значения пропускания кварцевой оболочки. Пропускание кварца может деградировать со временем и, кроме того,  сильно меняться в течение импульса. Кроме того,  в литературе отсутствует, как правило, детальное описание полного набора условий проведения эксперимента. В итоге анализ факторов, влияющих на  эффективность изучения в УФ- области затруднен, и возникает актуальная задача оптимизации параметров разрядов указанного типа с целью увеличения КПД в области 220-400 нм. Надежной основой для проведения такой работы может служить расчетно- теоретическое исследование с помощью  математической модели источника излучения, реалистично описывающей процессы в плазме ксенона и стабилизирующей оболочке. В работе  показано влияние на  выход излучения диаметра и длины разрядного канала, давления наполнения ксенона, длительности импульса, параметров разрядного контура, тока дежурной дуги. На основе устанавливаемой при моделировании связи внутренних параметров плазмы (температурных распределений, полей концентрации частиц и радиации, динамики электрического сопротивления канала разряда и спектров излучения плазмы) с радиационными характеристиками разряда определены условия, обеспечивающие наибольший выход излучения в УФ- области. Результаты вычислений  подтверждены экспериментальными данными. Полученныйматериал дает важные для практики ориентиры для разработки и правильного выбора источника излучения коротковолнового диапазона.

Список литературы

1. Hancock P., Curry R.D., McDonald K.F., Altgilbers L. Megawatt, pulsed ultraviolet photon sources for microbial inactivation // IEEE Trans. on Plasma Science. 2004. Vol. 32. No. 5. Pp. 2026 -2031. DOI: 10.1109/TPS.2004.835967

2. Moreau M., Lescure G., Agoulon A., Svinareff P., Orange N., Feuilloley M. Application of the pulsed light technology to mycotoxin degradation and inactivation // J. of Applied Toxicology. 2013. Vol. 33. No. 5. Pp. 357-363. DOI: 10.1002/jat.1749

3. Abida J., Rayees B., Masoodi F.A. Pulsed light technology: a novel method for food preservation // Intern. Food Research J. 2014. Vol. 21. No. 3. Pp. 839-848.

4. Мишаков М.А., Камруков А.С. Исследование спектральных характеристик импульсных ксеноновых ламп для комбинированной фотохимической деструкции металоорганических комплексов в жидких радиоактивных отходах // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 6. С. 29-41¬¬. DOI: 10.7463.0617.0001220

5. Архипов В.П., Камруков А.С., Козлов Н.П., Макарчук А.А. Дистанционное обеззараживание объектов направленным импульсным широкопоплосным УФ-излучением // Прикладная физика. 2016. № 6. С. 102 – 108.

6. Шуаибов А.К., Миня А.И., Гомоки З.Т., Грицак Р.В. Оптические характеристики электроразрядного источника ультрафиолетового излучения на смеси аргона с парами «тяжелой» воды (D2O) // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. № 2. С. 212-215. DOI: 10.7868/S0030403413020268

7. Шуаибов А.К., Гомоки З.Т., Калюжная А.Г., Щедрин А.И. Излучательные характеристики и кинетика процессов в газоразрядных лампах низкого давления на основе смесей гелия и паров йода // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109. № 5. С. 728-732.

8. Генерал А.А., Кельман В.А., Жменяк Ю.В., Шпеник Ю.О., Кленовский М.С. Эмиссионные характеристики барьерного разряда в смеси Ar–H2O // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. № 1. С. 28-32. DOI: 10.7868/S0030403413010108

9. Градов В.М., Щербаков А.А. Расчет излучательных характеристик дуговых криптоновых и ксеноновых разрядов // Оптика и спектроскопия. 1979. Т. 47. № 4. С. 635-642.

10. Градов В.М., Щербаков А.А. Расчет нестационарного дугового ксенонового разряда совместно с ограничивающей его стенкой // Журнал технической физики. 1979. Т. 49. № 6. С. 1216 -1222.

11. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. 3-е изд. М.: Физматлит, 2008. 652 с.

12. Бакшт Ф.Г., Лапшин В.Ф. Перенос энергии излучением в аксиально-симметричной ЛТР-плазме в условиях импульсного разряда высокого давления в цезии // Успехи прикладной физики. 2013. Т. 1. № 2. С.183-188.

13. Калиткин Н.Н. Численные методы: учеб. пособие. 2-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 586 с.

14. Градов В.М., Мак А.А., Щербаков А.А. Расчет оптических характеристик ксеноновой плазмы с учетом влияния продуктов эрозии оболочки // Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 43. № 2. С. 207 -217.

15. Градов В.М., Иванов В.В., Терентьев Ю.И., Щербаков А.А. К теории мощного нестационарного ксенонового разряда с учетом испарения стабилизирующих его стенок // Теплофизика высоких температур. 1981. Т. 19. № 1. С. 28 –35.

16. Жданов В.М. Процессы переноса в многокомпонентной плазме. М.: Физматлит, 2009. 277 с.

17. NIST. Physical Measurement Laboratory. Atomic Spectra Database. Version 5. Режим доступа: https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database (дата обращения 25.04.17).

18. Saloman E.B. Energy levels and observed spectral lines of Xenon, Xe I through Xe LIV // J. of Physical and Chemical Reference Data. 2004. Vol. 33. No. 3. Pp. 765-921. DOI: 10.1063/1.1649348

19. Архипов В.П., Желаев И.А., Ивашкин А.Б., Камруков А.С., Семенов К.А. Мультиспектральные фотоэлектрические преобразователи для измерения излучательных характеристик импульсных источников широкополосного оптического излучения // Прикладная физика. 2017. № 3. С. 107 – 114.

20. Импульсные источники света / И.С. Маршак, А.С. Дойников, В.П. Жильцов и др.; под общ. ред. И.С. Маршака. 2-е изд. М.: Энергия, 1978. 472 с.

Mathematics and Mathematical Modeling. 2017; : 54-69

Ultraviolet Radiation of Repetitively Pulsed High-pressure Discharges in Xenon

Filippov M. V., Korobkov S. S., Gradov V. M., Zhelayev I. A.

https://doi.org/10.24108/mathm.0617.0000095

Abstract

Pulsed quartz-jacketed high-pressure xenon lamps, operating in the periodic pulse repetition modes, despite the appearing UV radiation sources of other types, remain a critical component of the processing equipment used in photochemistry, photo-medicine, nanoelectronics, biology, etc. Their main advantages, namely high power and radiation energy are slightly devalued by a relatively low efficiency of the shortwave radiation. Available literature data concerning the influence of various factors on the energy level of short-wave radiation in xenon need to be systematised and generalised because they have been obtained under conditions of uncontrolled quartz-jacketed transmission. The transmission of quartz can degrade after a while and, in addition, undergo great changes during the pulse. Besides, as a rule, in the literature, there is no detailed description of a complete kit of experimental setting. As a result, to analyse the factors affecting the efficiency of studying in the UV range is difficult, and there arises a relevant problem to optimise this type of discharge parameters to increase the efficiency in the range of 220-400 nm. A mathematical model of the radiation source, realistically describing the processes in the xenon plasma and in the stabilising envelope, can be a reliable ground for such a study. The paper shows an impact of the discharge channel diameter and length, the filling pressure of xenon, the pulse duration, the parameters of discharge circuit, and the current of pilot arc on the radiation yield. Based on the simulation-found relationship of internal plasma parameters (temperature distributions, fields of particle concentration and radiation, dynamics of electrical resistance of discharge channel, and plasma emission spectra) with radiation characteristics of discharge, are determined conditions to ensure the greatest radiation yield in the UV region.  The experimental data prove the computational results. A material obtained gives practice-critical guidelines for development and correct selection of the short-wave radiation source.

References

1. Hancock P., Curry R.D., McDonald K.F., Altgilbers L. Megawatt, pulsed ultraviolet photon sources for microbial inactivation // IEEE Trans. on Plasma Science. 2004. Vol. 32. No. 5. Pp. 2026 -2031. DOI: 10.1109/TPS.2004.835967

2. Moreau M., Lescure G., Agoulon A., Svinareff P., Orange N., Feuilloley M. Application of the pulsed light technology to mycotoxin degradation and inactivation // J. of Applied Toxicology. 2013. Vol. 33. No. 5. Pp. 357-363. DOI: 10.1002/jat.1749

3. Abida J., Rayees B., Masoodi F.A. Pulsed light technology: a novel method for food preservation // Intern. Food Research J. 2014. Vol. 21. No. 3. Pp. 839-848.

4. Mishakov M.A., Kamrukov A.S. Issledovanie spektral'nykh kharakteristik impul'snykh ksenonovykh lamp dlya kombinirovannoi fotokhimicheskoi destruktsii metaloorganicheskikh kompleksov v zhidkikh radioaktivnykh otkhodakh // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2017. № 6. S. 29-41¬¬. DOI: 10.7463.0617.0001220

5. Arkhipov V.P., Kamrukov A.S., Kozlov N.P., Makarchuk A.A. Distantsionnoe obezzarazhivanie ob\"ektov napravlennym impul'snym shirokopoplosnym UF-izlucheniem // Prikladnaya fizika. 2016. № 6. S. 102 – 108.

6. Shuaibov A.K., Minya A.I., Gomoki Z.T., Gritsak R.V. Opticheskie kharakteristiki elektrorazryadnogo istochnika ul'trafioletovogo izlucheniya na smesi argona s parami «tyazheloi» vody (D2O) // Optika i spektroskopiya. 2013. T. 114. № 2. S. 212-215. DOI: 10.7868/S0030403413020268

7. Shuaibov A.K., Gomoki Z.T., Kalyuzhnaya A.G., Shchedrin A.I. Izluchatel'nye kharakteristiki i kinetika protsessov v gazorazryadnykh lampakh nizkogo davleniya na osnove smesei geliya i parov ioda // Optika i spektroskopiya. 2010. T. 109. № 5. S. 728-732.

8. General A.A., Kel'man V.A., Zhmenyak Yu.V., Shpenik Yu.O., Klenovskii M.S. Emissionnye kharakteristiki bar'ernogo razryada v smesi Ar–H2O // Optika i spektroskopiya. 2013. T. 114. № 1. S. 28-32. DOI: 10.7868/S0030403413010108

9. Gradov V.M., Shcherbakov A.A. Raschet izluchatel'nykh kharakteristik dugovykh kriptonovykh i ksenonovykh razryadov // Optika i spektroskopiya. 1979. T. 47. № 4. S. 635-642.

10. Gradov V.M., Shcherbakov A.A. Raschet nestatsionarnogo dugovogo ksenonovogo razryada sovmestno s ogranichivayushchei ego stenkoi // Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 1979. T. 49. № 6. S. 1216 -1222.

11. Zel'dovich Ya.B., Raizer Yu.P. Fizika udarnykh voln i vysokotemperaturnykh gidrodinamicheskikh yavlenii. 3-e izd. M.: Fizmatlit, 2008. 652 s.

12. Baksht F.G., Lapshin V.F. Perenos energii izlucheniem v aksial'no-simmetrichnoi LTR-plazme v usloviyakh impul'snogo razryada vysokogo davleniya v tsezii // Uspekhi prikladnoi fiziki. 2013. T. 1. № 2. S.183-188.

13. Kalitkin N.N. Chislennye metody: ucheb. posobie. 2-e izd. SPb.: BKhV-Peterburg, 2011. 586 s.

14. Gradov V.M., Mak A.A., Shcherbakov A.A. Raschet opticheskikh kharakteristik ksenonovoi plazmy s uchetom vliyaniya produktov erozii obolochki // Optika i spektroskopiya. 1977. T. 43. № 2. S. 207 -217.

15. Gradov V.M., Ivanov V.V., Terent'ev Yu.I., Shcherbakov A.A. K teorii moshchnogo nestatsionarnogo ksenonovogo razryada s uchetom ispareniya stabiliziruyushchikh ego stenok // Teplofizika vysokikh temperatur. 1981. T. 19. № 1. S. 28 –35.

16. Zhdanov V.M. Protsessy perenosa v mnogokomponentnoi plazme. M.: Fizmatlit, 2009. 277 s.

17. NIST. Physical Measurement Laboratory. Atomic Spectra Database. Version 5. Rezhim dostupa: https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database (data obrashcheniya 25.04.17).

18. Saloman E.B. Energy levels and observed spectral lines of Xenon, Xe I through Xe LIV // J. of Physical and Chemical Reference Data. 2004. Vol. 33. No. 3. Pp. 765-921. DOI: 10.1063/1.1649348

19. Arkhipov V.P., Zhelaev I.A., Ivashkin A.B., Kamrukov A.S., Semenov K.A. Mul'tispektral'nye fotoelektricheskie preobrazovateli dlya izmereniya izluchatel'nykh kharakteristik impul'snykh istochnikov shirokopolosnogo opticheskogo izlucheniya // Prikladnaya fizika. 2017. № 3. S. 107 – 114.

20. Impul'snye istochniki sveta / I.S. Marshak, A.S. Doinikov, V.P. Zhil'tsov i dr.; pod obshch. red. I.S. Marshaka. 2-e izd. M.: Energiya, 1978. 472 s.