Ультрафиолетовое излучение импульсно–периодических разрядов высокого давления в ксеноне

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.

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.