Способ генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра и устройство для его осуществления
METHOD FOR GENERATING HIGH-INTENSITY PULSES OF CONTINUOUS SPECTRUM UV RADIATION AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к электротехнике, а именно к средствам для получения импульсного ультрафиолетового (УФ) излучения сплошного спектра с помощью сильноточного разряда в трубчатых импульсных лампах с кварцевой оболочкой, наполненных инертным газом, преимущественно ксеноном, работающих в стробоскопическом режиме и применяемых для дезинфекции и стерилизации воздуха и предметов в помещении или сточных вод.
В настоящее время интенсивно развиваются импульсные УФ-технологии обеззараживания помещений, очистки сточных вод и другие. Еще в 1984 году Tatsumi Hiramoto предложил использовать излучение импульсных ламп для обеззараживания (Патент US 4464336). Однако, широкое внедрение импульсных технологий сдерживает низкий ресурс импульсных ксеноновых ламп, генерирующих излучение с преобладающим выходом в ультрафиолетовой области спектра.
2
2
Импульсные ксеноновые лампы характеризуются сплошным спектром излучения, близким по спектральному составу к излучению черного тела. В соответствии с законом смещения Вина, наибольший выход УФ-излучения в бактерицидной полосе от 200 до 300 нм следует ожидать при яркостных температурах 10 000К - 14 000К, что соответствует удельной мощности излучения (энергетической светимости) электроразрядной ксеноновой плазмы импульсной лампы от 56,0 кВт/см до 385,0 кВт/см. Однако реализация столь мощных режимов работы импульсных ламп будет сопровождаться высокими ударными, тепловыми и радиационными воздействиями на внутреннюю поверхность кварцевого канала, что приводит к резкому сокращению сроков службы импульсных ламп в результате их разрушения или ускоренной потери прозрачности кварцевой стенки.
Известно, что долговечность по разрушению оболочки трубчатых ламп в стробоскопическом режиме работы увеличивается от 2 до 5 раз с применением схемы зажигания ламп с «дежурной дугой». «Дежурный» дуговой разряд относительно малой мощности создает исходную проводимость по сечению канала и выравнивает ударные нагрузки по поверхности колбы, что и увеличивает ресурс лампы. При этом длительность импульса, пиковые значения тока, мощности и радиационные характеристики не меняются.
В качестве прототипа выбран способ генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра (RU 2370850 С2, опубл. 20.10.2009), который заключается в подаче импульса предыонизации перед подачей посредством коммутатора разрядного контура основного импульса, достаточного для достижения яркостных температур плазмы в разрядном канале более 7000К. Импульс основного разряда с длительностью менее 10 микросекунд подают в момент максимума тока импульса предыонизации. Кроме того, подачу импульса предыонизации осуществляют с длительностью, превышающей более чем в 10 раз длительность основного импульса, и током импульса предыонизации, более чем в 10 раз меньшим тока основного разряда.
Наиболее близким к устройству аналогом, выбранным в качестве прототипа, является средство генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра, описанное в документе RU 2370850 С2, опубл. 20.10.2009 и содержащее ксеноновую импульсную лампу с кварцевыми стенками разрядного канала, подключенную к первым блоку питания и накопительному конденсатору через коммутатор с образованием основного разрядного контура, а также ко вторым блоку питания и накопительному конденсатору с образованием разрядного контура предыонизации. Также устройство содержит блок инициирования и блок управления.
Недостатки известных способа и устройства заключаются в следующем.
Предварительная ионизация осуществляется для формирования однородного по сечению разряда, приводящего к снижению ударных нагрузок на кварцевую оболочку лампы, что увеличивает срок службы до ее разрушения, но не снижает тепловых и радиационных нагрузок на внутреннюю поверхность кварцевой стенки;
Соответственно даже при полной предварительной ионизации разрядного канала формирование сильноточной стадии основного разряда происходит вблизи кварцевой стенки, что при яркостных температурах более 7000К неизбежно приводит к интенсификации плазмохимических процессов на внутренней поверхности кварцевой стенки, сопровождающейся ее модификацией и, как следствие, к резкому повышению поглощения УФ-излучения в модифицированном слое, что снижает выход УФ-излучения импульсной лампы и значительно ограничивает ресурс работы.
Настоящая группа изобретений направлена на решение проблем, заключающихся в ограничении яркости импульсов УФ-излучения и низком ресурсе работы наполненных ксеноном импульсных ламп с кварцевыми стенками.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений является повышение эффективности генерации УФ-излучения импульсными ксеноновыми лампами с кварцевыми стенками при одновременном повышении их срока службы.
Указанный результат достигается за счет того, что в способе генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра посредством источника тока формируют дуговой контрагированный разряд в межэлектродном промежутке разрядного канала ксеноновой импульсной лампы с кварцевыми стенками, на который затем посредством коммутатора разрядного контура подают импульс основного разряда с плотностью тока, достаточной для достижения яркостных температур плазмы в разрядном канале более 7000К, и тем самым вырабатывают импульс излучения сплошного спектра с выходом ультрафиолета, причем геометрические параметры разрядного канала импульсной лампы связаны с параметрами разрядного контура следующим соотношением:
,
-5
я
я
где  - диаметр разрядного канала лампы, см,  - длина разрядного канала лампы, см, U - напряжение на накопительном конденсаторе, В, С - емкость накопительного конденсатора, Ф, L - индуктивность разрядного контура, Гн, к=2,5*10(Т-7000К) - безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение поглощения УФ-излучения при яркостных температурах плазменного разряда Т более 7000К.
-3
Как правило дуговой контрагированный разряд формируют в режиме непрерывного горения или перед каждым импульсом основного разряда не менее, чем за 10 секунды.
2
Импульс основного разряда подают с плотностью тока не менее 3 кА/см.
Импульсы основного разряда подают с частотой следования не более 200 Гц.
Описанный способ осуществляется устройством генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра, содержащим ксеноновую импульсную лампу с кварцевыми стенками разрядного канала, подключенную к блоку питания и накопительному конденсатору через коммутатор с образованием разрядного контура, блок инициирования, источник тока для формирования дугового контрагированного разряда и блок управления, причем геометрические параметры разрядного канала импульсной лампы связаны с параметрами разрядного контура следующим соотношением:
,
-5
я
я
где  - диаметр разрядного канала лампы, см,  - длина разрядного канала лампы, см, U - напряжение на накопительном конденсаторе, В, С - емкость накопительного конденсатора, Ф, L - индуктивность разрядного контура, Гн, к=2,5*10(Т-7000К) - безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение поглощения УФ-излучения при яркостных температурах плазменного разряда Т более 7000К.
Ксеноновая импульсная лампа содержит не менее 70% ксенона в газовой среде разрядного канала.
Форма разрядного канала импульсной лампы прямая или изогнутая.
В частности, диаметр разрядного канала изменяется по длине.
Предпочтительно, чтобы наибольший диаметр кварцевого канала не превышал 20 мм.
Обозначенная связь геометрических параметров кварцевого канала УФ-лампы с параметрами разрядного контура исключает превышение температур внутренней поверхности кварцевой стенки более 2000-2300°С, что способствует повышению эффективности генерации УФ-излучения и увеличению срока службы импульсной лампы.
Предлагаемое решение поясняется с помощью фиг. 1-3.
На фиг. 1 показана схема питания импульсной УФ-лампы.
На фиг. 2а-2в представлены примеры форм разрядного канала импульсной УФ-лампы: фиг. 2а - прямой канал, фиг. 2б - канал с переменным сечением, фиг. 2в - канал изогнутой формы.
На фиг. 3 показаны результаты испытаний деградации УФ-излучения в спектральной области 200-300 нм.
Для реализации способа генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра трубчатую импульсную лампу 1 с кварцевыми стенками заполняют инертным газом с низким коэффициентом теплопроводности, преимущественно ксеноном, или смесью таких газов с содержанием ксенона не менее 70%.
По команде с блока управления (на фиг. не показан) в межэлектродном промежутке разрядного канала импульсной лампы 1 посредством высоковольтного импульса источника тока 2 формируют плазменный разряд мощностью и длительностью, достаточными для его перехода в дуговую контрагированную форму.
-3
-3
Дуговой контрагированный разряд формируют в режиме непрерывного горения или перед каждым импульсом основного разряда не менее, чем за 10 секунды после окончания сильноточной стадии основного разряда, так как 10 секунды - это характерное время формирования контрагированного разряда.
-3
2
Так, блок управления регистрирует наличие требуемого значения тока в разрядном контуре, в состав которого входят блок питания 3, накопительный конденсатор 4 и коммутатор 5, и с задержкой не менее 10 секунды подает сигнал на открытие коммутатора 5. Осуществляется подача импульса основного разряда - сильноточного разряда конденсатора 4 c плотностью тока не менее 3 кА/см, обеспечивающего яркостные температуры плазмы тяжелых инертных газов более 7000К, при этом импульсы основного разряда подают с частотой следования не более 200 Гц. Таким образом и вырабатывают импульс излучения сплошного спектра.
При этом импульсная лампа 1, ограниченная кварцевыми стенками, при работе в стробоскопическом режиме должна обладать геометрическими параметрами разрядного плазменного канала (диаметр и длина), связанными с параметрами разрядного контура следующим образом: ,
-5
я
я
где  - диаметр канала лампы 1, см,  - длина канала лампы 1, см, U - напряжение на накопительном конденсаторе 4, В, С - емкость накопительного конденсатора 4, Ф, L - индуктивность разрядного контура, Гн, к=2,5*10(Т-7000К) - безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение поглощения УФ-излучения при яркостных температурах плазменного разряда Т более 7000К.
Одним из условий обеспечения длительной работы импульсной ксеноновой лампы 1 является режим ее эксплуатации: импульсная и средняя электрическая мощность, длительность импульса и размеры разрядного канала. Известно, что на величину скачка температуры при импульсном нагреве стенки влияют теплофизические свойства материала, поглощенная мощность и длительность воздействия. Следовательно, для повышения эффективности генерации УФ-излучения требуется согласование режимов работы лампы 1 с геометрическими параметрами ее разрядного канала, исключающих превышения температур внутренней поверхности кварцевой стенки более 2000-2300°С.
Ранее обозначенная связь геометрических параметров кварцевого канала лампы 1 с параметрами разрядного контура, которые определяют эффективность УФ-излучения для конкретного разрядного канала и характеризуют режим работы лампы 1, исключает превышение температур внутренней поверхности кварцевой стенки более 2000-2300°С. Превышение указанных значений температур стенки за счет уменьшения размеров канала или чрезмерного увеличения удельной мощности приведет к плавлению и испарению кварцевой стенки, что будет являться достаточным условием для резкой интенсификации фотохимических реакций деструкции кварцевого стекла с образованием соединений кварца (например, SiO) экранирующих УФ излучение и наработки кислорода, который запустит процессы окисления электродов, что вызовет их повышенную эрозию и, как следствие, загрязнение кварцевой трубки. Это основные процессы, приводящие к сокращению срока службы импульсных ксеноновых ламп и снижению эффективности генерации УФ-излучения.
Контрагированный разряд позволяет инициировать сильноточный основной разряд строго по оси разрядного канала. При этом он (контрагированный разряд) интенсивно расширяется с образованием ударной волны, которая вытесняет ксенон к стенке канала и образует ударно сжатый слой, который ее защищает от жесткого вакуумного ультрафиолетового излучения и контакта с горячей плазмой разряда. В известных способах и устройствах происходит не осесимметричное (вблизи стенки) формирование разряда, при котором образуется локальная зона высокой удельной мощности, и контакт плазмы со стенкой существует вплоть до полной рекомбинации плазмы разряда. Выравнивание значения удельной мощности на стенке в случае использования предварительного контрагированного разряда происходит только при полном заполнении разрядного канала. При этом поглощенные стенкой радиационные потоки при наличии ударно сжатого ксенона ниже за счет экранировки излучения с длинами волн короче потенциала ионизации ксенона и полностью отсутствуют эффекты деструкции кварца, вызываемые взаимодействием с быстрыми (высокоэнергетичными) электронами разрядной плазмы. Следовательно контрагированный разряд позволяет увеличить удельную мощность разряда по сравнению с известными методами инициирования разряда, развивающимися у стенки канала, что позволяет увеличить эффективность УФ-излучения. Дальнейшее повышение удельной мощности приводит к увеличению значений поглощенных стенкой радиационных потоков, что приведет к скачкам температуры стенки более 2300°С и вызовет испарение стенки, развитие фотохимических превращений и, как следствие, резкое снижение сроков службы лампы. Следовательно габариты разрядного канала должны быть достаточными для реализуемых импульсных мощностей разряда и его длительности.
Устройство генерации высокоинтенсивных импульсов УФ-излучения сплошного спектра (фиг. 1) содержит импульсную лампу 1, заполненную инертным газом с низким коэффициентом теплопроводности, преимущественно ксеноном, или смесью таких газов с содержанием ксенона не менее 70% в газовой среде разрядного канала с кварцевыми стенками. Импульсная лампа 1 подключена к блоку питания 3 и накопительному конденсатору 4 через коммутатор 5 с образованием разрядного контура. Также устройство генерации содержит блок инициирования 6 - игнитрон, расположенный между коммутатором 5 и лампой 1, источник тока 2 для формирования дугового контрагированного разряда и блок управления (на фиг. не показан).
Как уже было описано выше, достижение технического результата обеспечивает возможность формировать дуговой контрагированный разряд перед импульсом основного разряда, а также связь геометрических параметров разрядного канала импульсной лампы 1 с параметрами разрядного контура следующим соотношением: ,
-5
я
я
где  - диаметр разрядного канала лампы 1, см,  - длина разрядного канала лампы 1, см, U - напряжение на накопительном конденсаторе 4, В, С - емкость накопительного конденсатора 4, Ф, L - индуктивность разрядного контура, Гн, к=2,5*10(Т-7000К) - безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение поглощения УФ-излучения при яркостных температурах плазменного разряда Т более 7000К.
2
Представленное ограничения размеров разрядного канала справедливо для средних удельных мощностей при работе лампы при естественном охлаждении в воздухе не более 20 Вт/см.
При этом форма разрядного канала импульсной лампы 1 изготавливается прямой или изогнутой (фиг. 2а-2в). А диаметр канала в некоторых вариантах осуществления может изменяться по длине (фиг. 2б).
Изготавливается лампа 1 посредством известных из уровня техники средств и методов.
Работа предлагаемого устройства описана далее.
Формирование плазменного разряда высоковольтным импульсом источника тока 2 с последующим переходом в дуговую контрагированную форму в межэлектродном промежутке разрядного канала ксеноновой импульсной лампы 1 с кварцевыми стенками осуществляется следующим образом. Первоначально на электроды импульсной лампы 1 по команде с блока управления подается напряжение холостого хода источника тока 2, причем величина напряжения зависит от давления ксенона и длины разрядного канала в лампе. С помощью высоковольтного импульса пробивается газовый промежуток. По каналу начинает протекать ток дежурной дуги. Ток продолжает нарастать, мощность дуги увеличивается до момента возникновения перегревной неустойчивости - происходит контракция разряда - образуется строго по оси кварцевого канала тонкий проводящий канал.
-3
-3
2
Время формирования канала составляет 10 секунды. Посредством блока управления регистрируют наличие требуемого значения тока дежурной дуги и для подачи импульса основного разряда с задержкой не менее 10 секунды подают сигнал на открытие коммутатора 5 разрядного контура. Накопительная емкость конденсатора 4 начинает разряжаться на контрагированный по оси кварцевого канала дуговой разряд. Форма импульса электрической мощности, вкладываемого в плазму, определяется параметрами разрядного контура: величинами рабочей емкости, напряжения и индуктивности. Импульс основного разряда должен иметь плотность тока более 3 кА/см для достижения яркостных температур плазмы в разрядном канале более 7000К.
Наиболее эффективный вклад энергии в плазму реализуется разрядами близкими к критическому. В данном случае форма электрической мощности будет близка к треугольнику. Расширение канала происходит с постоянной скоростью с образованием ударной волны. Ударная волна вытесняет газ к кварцевой стенке, сжимая его. Между стенкой и фронтом ударной волны образуется слой ударно-сжатого ксенона, который предохраняет стенку от воздействия высокотемпературной плазмы ударной волны и экранирует коротковолновое вакуумное УФ-излучение ксеноновой плазмы, что снижает уровень тепловой нагрузки на внутреннюю поверхность кварцевой стенки, позволяет значительно увеличить мощность разряда и, соответственно, яркостную температуру и выход УФ-излучения.
-3
По окончании разряда плазма рекомбинирует за время 10 секунды, коммутатор 5 закрывается, начинается заряд конденсатора 4, ток дуги продолжает протекать с образованием контракции по оси разрядного канала и к моменту окончания заряда емкости коммутатор 5 открывается и протекает сильноточный разряд аналогично описанному выше.
-3
Дежурная дуга не вносит вклад в увеличение выхода УФ-излучения таким образом затраты на ее формирование являются паразитными. При низких частотах следования импульсов (например, менее 1 Гц), дежурную дугу инициируют непосредственно перед сильноточным разрядом за время 10 секунды, достаточное для формирования контрагированной формы разряда. А с учетом времени рекомбинации плазмы разряда и времени формирования контракции разряда максимальная частота следования импульсов ограничена значением 200 Гц, определяющим степень градиента температур между стенками кварцевой трубки.
Учитывая, что основной вклад в излучение сильноточных разрядов в ксеноне дает тормозное излучение свободных электронов, то спектральное распределение энергии излучения будет близким к планковскому. Следовательно, эффективность выхода УФ-излучения растет с увеличением температуры плазмы или удельной мощности основного разряда. Анализ зависимости параметров разрядного контура и канала лампы , показывает, что увеличение предельной для конкретных размеров разрядного канала лампы удельной мощности разряда возможно путем роста напряжения на накопительном конденсаторе, уменьшения емкости и индуктивности разрядного контура. Очевидно, что увеличение напряжения приведет к значительному (квадратичному) уменьшению емкости конденсатора 4, соответственно сокращению длительности разряда и, как итог, росту удельной мощности - повышению яркостной температуры плазмы. Уменьшение индуктивности за счет вывода катушки инициирования из разрядного контура приведет к сокращению длительности разряда и соответственно увеличению удельной мощности.
По предложенному техническому решению были проведены исследования долговечности импульсных ксеноновых ламп с разрядным промежутком 12 см и внутреннем диаметром 0,5 см прямой геометрии. Конденсатор разрядного контура емкостью 60 мкФ заряжался до напряжения 1,4 кВ, индуктивность контура составляла 53 мкГн. Лампы испытывались при работе с частотой следования импульсов 3,3 Гц на воздухе без принудительного охлаждения. Половина ламп испытывалась с разрядным контуром с последовательным поджигом, а вторая половина ламп испытывалась с аналогичным контуром, но работа осуществлялась с постоянно работающей контрагированной по оси кварцевого канала дугой, на которую с той же частотой 3,3 Гц разряжалась накопительная емкость. Разрядный ток, длительность импульса и радиационные характеристики ксеноновой плазмы испытуемых ламп были идентичны в обоих способах инициирования разряда. Результаты испытаний деградации УФ-излучения в спектральной области 200-300 нм представлены на фиг. 3. Видно, что предложенное техническое решение позволяет увеличить долговечность ламп прямой геометрии в 10 и более раз.
Аналогичные испытания на долговечность были проведены с импульсными ксеноновыми лампами U-образной формы. Длина разрядного промежутка составляла 280 мм, а внутренний диаметр кварцевой трубки - 7 мм. Емкость накопительного конденсатора составляла 100 мкФ, рабочее напряжение - 2800 В, а индуктивность разрядного контура - 39 мкГн. Лампы испытывались при работе с частотой следования импульсов 2,5 Гц на воздухе без принудительного охлаждения. Разрядный ток, длительность импульса и радиационные характеристики ксеноновой плазмы испытуемых ламп были идентичны в обоих способах инициирования разряда. Применение постоянно работающей контрагированной по оси кварцевого канала дугой позволило увеличить долговечность ламп сложной формы в 8-9 раз.
2
2
Для проверки связи геометрических параметров импульсной лампы и параметров разрядного контура, обозначенной уравнением , были проведены исследования долговечности импульсных ксеноновых ламп с разрядным промежутком 12 см и внутреннем диаметром 0,5 см прямой геометрии. Конденсатор разрядного контура емкостью 120 мкФ заряжался до напряжения 1,38 кВ, индуктивность контура составляла 7 мкГн. Лампы испытывались при работе с частотой следования импульсов 3,3 Гц на воздухе без принудительного охлаждения с постоянно работающей контрагированной по оси кварцевого канала дугой. Измеренная яркостная температура составила 9500К. Рекомендуемые по предложенному уравнению значения геометрических характеристик составили 10,8 см, что больше фактических - 6 см. В результате испытаний долговечность испытуемых ламп сократилась в 3-4 раза. Таким образом удалось подтвердить достижение технического результата.
Таким образом, использование предложенной группы изобретений позволит увеличить эффективность генерации УФ-излучения импульсными ксеноновыми лампами и повысить их срок службы.