ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 3, с. 469-472
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 533.9.08;621.373.826
ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В ВОДЕ С ЭЛЕКТРОДАМИ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ © 2014 г. А. К. Шуаибов, А. И. Миня, З. Т. Гомоки, Я. Ю. Козак
Ужгородский национальный университет, Украина E-mail: jarynkad@ukr.net Поступило в редакцию 12.12.2012 г.
Приведены результаты экспериментального исследования электрических и оптических характеристик импульсно-периодического наносекундного разряда с алюминиевыми и дюралевыми электродами в дистиллированной воде. Представлены осциллограммы тока и напряжения на электродах разряда, рассчитаны его импульсная мощность и удельный энерговклад в плазму. В спектрах на фоне непрерывного излучения в видимой области наблюдались спектральные линии алюминия, меди, водорода и кислорода.
DOI: 10.7868/S0040364414030259
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время импульсные разряды, кроме процессов обработки поверхности, плавки металлов и создания интенсивных источников звука [1—3], находят все более широкое применение в системах микробиологической и химической очистки воды [4, 5], синтеза наноструктур в жидкостях [6]. Одним из преимуществ электроразрядного синтеза наноструктур в жидкостях по сравнению с использованием лазерного факела [7] является простота создания электроразрядных реакторов и работы с ними. При работе с электроразрядными реакторами существует возможность управления параметрами синтезируемых наноструктур за счет широкой вариации режимов зажигания импульсного разряда в воде или этаноле. В [8] приведены результаты исследования электрического разряда, возникающего в атмосфере вдоль свободной поверхности воды между острием над поверхностью и удаленным от него электродом, погруженным в воду, при подаче на них квазипрямоугольных высоковольтных импульсов. Такой тип разряда не позволяет эффективно вводить в жидкость атомы металлов, необходимые для синтеза наноструктур в дистиллированной воде, но может использоваться для этих целей при замене дистиллированной воды на растворы солей металлов (типа сульфатов алюминия или меди).
В статье [9] приведены результаты спектроскопического исследования физических процессов и параметров лазерной плазмы алюминия в воздухе низкого давления, в которой могут образовываться наноструктуры на основе оксидов алюминия.
При этом выход наночастиц значительно ниже, чем в импульсном подводном разряде.
Большинство работ о синтезе наноструктур в жидкости посвящено исследованию этих структур, а не характеристик и параметров плазмы самого реактора, что сдерживает масштабирование таких реакторов и возможностей синтеза наноструктур с предварительно задаными характеристиками. В [10] приведены результаты исследования параметров импульсных разрядов микросекундной длительности и дугового разряда миллисекундной длительности в воде, этаноле и воздухе с электродами из меди, перспективных для синтеза наноструктур из оксида меди.
Менее исследованными являются реакторы на основе наносекундных разрядов в жидкости. Спектроскопическое исследование наносекунд-ного разряда в воде с электродами из алюминия и его сплавов имеет большое значение для определения характеристик плазмы, которые важны для масштабирования реактора и контроля за процессами синтеза наноструктур на основе оксидов алюминия (в первую очередь за размерами и формой фрактальных структур).
В настоящей работе приводятся результаты исследования излучения в видимой области спектра импульсного разряда наносекундной длительности в дистиллированной воде с электродами из алюминия и дюралюминия.
ТЕХНИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования электрических и оптических характеристик импульсного разряда наносекунд-
470
ШУАИБОВ и др.
«
12 0
I, А
г 100
р 1',
- 60 I
-20 ■ . 1
--20 100 1 11 1 1 200 300 400 нс \ '
- -60 \/\
и
н «
0 а,
100
Рис. 1. Электрические характеристики наносекунд-ного разряда в дистиллированной воде.
I, отн. ед 1.00
0.75
0.50
0.25
450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
X, нм
Рис. 2. Спектр видимого излучения плазмы наносе-кундного подводного разряда (1), долгоживущего плаз-мообразования в воде (2) [11] и распределение в спектре излучения абсолютно черного тела при Т = 2850 К (3) .
ной длительности в воде с электродами из алюминия и дюралюминия (система "иголка—плоскость") использовался стенд, включающий разрядную кювету с металлическими электродами, источник импульсов высокого напряжения нано-секундной длительности, монохроматор МДР-2 (дифракционная решетка на 1200 штр./мм) и систему регистрации импульсов напряжения и тока разряда. Разрядная кювета детально описана в [11].
Зажигание разряда в дистиллированной воде проводилось при помощи модулятора высоковольтных импульсов на основе водородного тиратрона ТГИ-1-1000/25 и импульсного кабельного трансформатора. Модулятор работал при частоте / = 35 Гц. Зарядное напряжение на рабочем конденсаторе модулятора (С = 1.5 нФ) составляло 13 кВ. Для ограничения импульсного тока ис-
пользовалось балластное сопротивление 150 Ом. Расстояние между иголкой и плоскостью составляло 1 мм.
Усредненные по времени спектры излучения разряда регистрировались с использованием фотоумножителя ФЭУ-106, усилителя постоянного тока и самописца. Система регистрации видимого излучения была прокалибрована по относительной спектральной чувствительности при помощи банд-лампы.
Импульсы напряжения регистрировались с помощью малоиндуктивного емкостного высоковольтного делителя, а тока — пояса Роговского. Сигналы с этих первичных преобразователей поступали на вход шестиканального широкополосного осциллографа 6-ЛОР. Энерговклад в плазму определялся путем графического интегрирования импульсной электрической мощности по времени.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На рис. 1 приведены осциллограммы напряжения, тока и электрической мощности наносекунд-ного подводного разряда. Длительность первого максимума импульса напряжения составляла примерно 110 нс, второго — 60 нс. Длительность первого максимума импульса тока равнялась 100 нс, второго — 65 нс. Импульс напряжения в максимуме достигал 52.2 кВ, тока — 73 А. Графическое произведение осциллограмм напряжения и тока позволяет получить импульсную мощность разряда, которая в максимуме достигает 3.2 МВт. Примерный объем плазмы разряда составляет 24 х х 10-4 см3. На основе этих данных удельный энерговклад в первом максимуме тока равен 2.6 х х 1010 Вт/см3, во втором - 1.8 х 1010 Вт/см3.
Характерный спектр излучения наносекунд-ного разряда в дистиллированной воде приведен на рис. 2. Он состоит из интенсивного континуума в области спектра 400-640 нм, на фоне которого зарегистрированы спектральные линии материалов электродов и продуктов деструкции молекулы воды. Наиболее интенсивные спектральные линии представлены в таблице.
Непрерывный спектр видимого излучения на-носекундного разряда в дистиллированной воде сильно отличается от соответствующего спектра излучения долгоживущего плазмообразования [12] (рис. 2), которое формируется с использованием тугоплавких электродов, не поддающихся распылению, и характеризуется большей температурой. Для плазмы долгоживущего образования распределение непрерывного излучения в спектральном диапазоне 550-750 нм было близким к распределению абсолютно черного тела
0
0
ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА
471
Результаты расшифровки спектра излучения наносекундного разряда в дистиллированной воде с электродами из алюминия и дюралюминия
X, нм Атом Ен, эВ Ев, эВ Переход
276.63 Cu I 1.64 6.12 4s2 2D3/2-5p 2P3/2
324.31 Cu I 0 3.81 4s 2SV2-4p 2P3/2
330.79 Cu I 5.07 8.81 4p %2-4d 4G5/2
353.03 Cu I 1.64 5.15 4s2 2D3/2-4p 4F5/2
394.4 Al I 0 3.14 3p 2Px/2-4s 2SV2
396.15 Al I 0.01 3.14 3p 2P3/2-4s 2SV2
406.26 Cu I 3.81 6.86 4p 2A/2-5d 2Ds/2
434.04 Hy I 10.19 13.05 2s 2SV2-5p 2PV2
486.12 Hp I 10.19 12.74 2s 2SV2-4d 2D5/2
510.55 Cu I 1.38 3.81 4s2 2D5/2-4p 2P3/2
533.07 O I 10.76 13.06 3p 5P3-5d 5D4
557.73 O I 1.96 4.18 2p4 D2-2p4 %
604.64 O I 10.98 13.03 3p 3P2-6s 3%
(при Т = 2850 К), но мощность этого излучения была сравнительно низкой и находилась в пределах 7 х 10-4—7 х 10-3 Вт [13].
Спектр непрерывного излучения наносекундного разряда в ультрафиолетовом диапазоне длин волн перекрывал участок Дк = 250—270 нм [14, 15], который имеет важное значение в фотомедицине и фотобиологии, поскольку в нем находится основной максимум поглощения молекул ДНК. Спектр излучения в этом спектральном диапазоне может быть аппроксимирован спектром излучения абсолютно черного тела с эффективной температурой (4—5) х 103 К. Он коррелирует со спектрами непрерывного УФ-излучения импуль-ных подводных разрядов между металлическими электродами [16, 17].
На дне реактора обнаружен в макроскопическом количестве мелкозернистый порошок белого цвета, который, вероятно, состоит из оксидов алюминия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование электрических и оптических характеристик наносекундного подводного разряда в системе электродов "иголка—плоскость", состоящих из алюминия и дюралюминия, показало, что при удельном энерговкладе в разряд (2—3) х х 1010 Вт/см3 спектр его излучения состоит из непрерывной составляющей, на фоне которой регистрировались отдельные спектральные линии материала электродов и продуктов деструкции молекул воды. Обнаружено отличие спектра излучения плазмы наносекундного разряда в видимой обла-
сти от соответствующего спектра излучения долго-живущих плазменных образований, которые формируются в воде при использовании тугоплавких электродов (вольфрам, графит высокой чистоты). Применяемый реактор пригоден для получения в макроскопическом количестве мелкодисперсного белого порошка на основе оксидов алюминия и может использоваться для бактерицидной очистки воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. 253 с.
2. Кривицкий В.В. Динамика электровзрыва в жидкости. Киев: Наукова думка, 1986. 344 с.
3. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.