Поглощательная способность насыщенных паров серы в оптическом диапазоне при высоких температурах

Поглощательная способность насыщенных паров серы в оптическом диапазоне при высоких температурах.

Виноградов Е.А.

Институт общей физики РАН

Получены оптичекие спектры поглощения насыщенных паров серы при различных температурах вплоть до 1000К. Эксперимент проводился в отпаянных кварцевых контейнерах с навесками серы » 0,5 мг/см . Обнаружено смещение края поглощения из ультрафиолетовой области в инфракрасную с ростом температуры. Максимальный показатель поглощения при Т » 1000К достигает 2см"1. Полученные результаты свидетельствуют о перспективе развития высокоэффективных, возбуждаемых СВЧ-разрядом, источников света малой мощности со спектром излучения, бликим к солнечному

Пары молекулярной серы являются интересным объектом для спектральных исследований. В их состав входят близкие по концентрации комбинации атомов серы вплоть до Б8. Он сохраняется при некоторых вариациях относительного количества различных молекул серы вплоть до давлений в несколько атмосфер и температур в тысячи градусов. Поэтому и колебательно-вращательные переходы в парах серы чрезвычайно многообразны. При низких давлениях (порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба спектры молекулярной серы хорошо изучены [1] и послужили основой для создания лазерных источников света. Сера, обладая потенциалом ионизации чрезвычайно близким к ртути, казалось бы, могла найти практическое применение в лампах высокого давления, аналогичных ртутным или ксеноновым. Однако долгое время этому мешала высокая агрессивность серы при высоких температурах по отношению к возбуждающим газовый разряд электродам и электроотрицательность серы. Сравнительно недавно это препятствие было преодолено путем возбуждения смеси паров серы и аргона безэлектродным СВЧ-разрядом [2 ]. Были созданы мощные ( порядка киловатта потребляемой мощности) эффективные (более сотни люмен на ватт) источники света со спектром излучения, весьма близким к

солнечному [ 3 ]. Аналогичные менее мощные источники (подводимая СВЧ-мощность порядка 10 Вт) описаны в [4]. Однако до сих пор остаются не ясными перспективы развития таких источников света из-за недостаточной информации о спектрах поглощения паров серы при высоких температурах и давлениях. Целью настоящей работы является проведение подобных экспериментальных исследований в видимой области спектра.

Для проведения исследования спектров поглощения паров серы при высоких температурах и давлениях была создана установка, схема которой приведена на Рис.1.

И

8

Рис .1

Оптическая схема спектральной установки. 1 - источник света, 2 - обтюратор, 3 - квацевые линзы, 4 - нагревательная печь, 5 - кварцевая колба с серой, 6 - зеркала, 7 - светофильтр, 8 - монохроматор МДР-2,

9 - приемник излучения.

От источника света -1 (лампа накаливания) излучение проходит обтюратор-2 фокусируется линзой -3 на нагреваемую печкой -4 герметичную колбу из оптического плавленного кварца-5 с парами молекулярной серы. Далее излучение, пройдя через светофильтр - 7, направляется зеркалами -6 на линзу - 3, которая фокусирует его на входную щель монохроматора -8, а с выходной щели оно попадает на приемник- 9, соединенный с регистрирующей системой.

Основным узлом спектрометра является монохроматор МДР-2,

обеспечивающий высокое разрешение (обратная линейная дисперсия ~ 4 нм/мм ) и хорошую светосилу, необходимую для обеспечения широкого динамического

диапазона регистрируемого сигнала при наблюдении за динамикой спектров при разогреве паров. В монохроматоре была использована решетка с 600 штрихами на мм и рабочим спектральным диапазоном 0,4 - 1,2 мкм.

В качестве источника света применялись как спектральные лампы СИ-235, так и проекционные лампы накаливания с йодным циклом мощностью 100 Вт. Приемником излучения в обоих случаях служил фотоэлектронный умножитель ФЭУ-65. Для подавления дифракционных спектров решетки высших порядков применялись светофильтры.

Для нагрева серы, поддержания стабильной температуры ее паров в широком диапазоне температур вплоть до 10000 С и обеспечения высокой однородности и равномерности нагрева, использована злектрическая печь сопротивления с каналом длиной 100 см и диаметром 3,2 см. Нагреватель печи, управляемый тиристорным стабилизатором температуры имеет мощность 1 кВт. В качестве опорного напряжения в тиристорной схеме стабилизации температуры, а также для измерения температуры исследуемого объекта, применена хромель-алюмелевая термопара, спай которой располагется вблизи от колбы с парами серы. Кварцевые линзы (3) имеют фокусное расстояние 400 мм и70 мм, соответственно по ходу излучения.

Регистрирующая аппаратура состоит из блока предварительного усиления сигнала от ФЭУ-65, селективного усилителя Цшрап-237, синхронного детектора Цшрап-235 и двухкоординатного самописца Н307. Блок предварительного усиления был смонтирован вместе с ФЭУ-65 в общем экранированном корпусе, причем последний размещается вплотную к выходной щели монохроматора МДР-2. Селективный усилитель и синхронный детектор обеспечивают низкий уровень шума, широкий набор коэффициентов фиксированной аттенюации сигналов и большой выбор постоянных времени регистрации. Линейная развертка самописца по оси х осуществляется напряжением снимаемым с многооборотного потенциометра, механически связанного с безлюфтовым узлом поворота дифракционной решетки МДР-2. Сканирование спектра, в свою очередь, осуществляется этим узлом поворота через многоступенчатую систему зубчатых передач от низкооборотного синхронного двигателя. Обтюратор обеспечивает выбор дискретных частот модуляции в пределах от 12 до 125 Гц, приводится во вращение синхронным двигателем, а опорный сигнал от оптопары обтюратора поступает на синхронный детектор.

Размещение обтюратора между источником света и входом в печь позволяет устранить влияние на регистрируемый сигнал засветки приемника раскаленными

стенками печи и колбы. Колбы сферической формы содержали навески серы от 0,3 до 0,6 мг-см - . Фокусировка излучения точно в центр колбы позволяет при расчете спектров пропускания считать длину оптического пути в парах серы равной 3 см. Спектры пропускания при разных температурах паров серы были получены в результате нормировки на спектры пропускания колбы при комнатной температуре, когда давление паров серы пренебрежимо мало по сравнению с давлением аргона (»5 торр),добавленного в колбу. В отсутствии заметного поглощения и, в особенности, узких линий поглощения при комнатной температуре легко было убедиться экспериментальным путем.

На Рис. 2 представлены спектральные зависимости показателя оптической плотности ( Б = 1о§(1/Т), где Т - относительный коэффициент пропускания) от температуры паров серы. Видно, что с ростом температуры основная область сильного поглощения смещается от фиолетового края спектра к инфракрасному, а максимальный показатель поглощения составляет порядка 0,5 см-1. Таким образом, при высоких температурах и давлениях ( 1000 К и 5 атм, соответственно) степень черноты паров серы в области видимого света чрезвычайно высока, что и позволяет использовать серу в качестве рабочего тела в источниках излучения со

Р о

600 700

Длина волны, нм

Рис.2. Спектральная зависимость оптической плотность паров серы при фиксированном объеме и различных температурах.

4

3

2

0

500

800

спектром, близким к солнечному. Полученная величина поглощательной способности свидетельствует также о возможности создания эффективных серных ламп малой мощности (порядка десяти ватт потребляемой мощности). Красный сдвиг полосы поглощения при повышении температуры и давления связан не только со столкновительным уширением. но и с возрастанием колебательно-вращательного уширения линий различных молекулярных модификаций серы. Это обстоятельство резко отличает молекулярное поглощение серы от атомарного по своей сути поглощения ртути, имеющей при тех же температурах и давлениях ярко выраженные резонансные линии на фоне сплошного спектра1

Авторы выражают искреннюю благодарность за полезные обсуждения D.A. MacLennan (Fusion Systems Corporation, США) и Г. А. Ляхову (НЦВИ ИОФАН).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 99 - 02 - 16415).

Список литературы

1. Paterson D.A., Schlie L.A., Stable pure sulfur discharges and associated spectra. J. Chem. Phys.,1980, V.73(4), p.1551 - 1567.

2.Wharmby D.O., Rewiew of electrodeless discharges for lighting. In.: Fifth International Symposium on the science and technology of light source, Devonshire R., Meeds J., Wharmby D O. editors. University of Sheffield publisher., 1989, P.35-41.

3. MacLennan D.A., Dolan J.T., Turner B.P. Small long-lived stable light source for projection-display applications. In: Society for Informational Display International Symposium Digest of Technical Papers, 1993, V.24, P.716-719.

4. Диденко А.Н., Виноградов Е.А, Ляхов Г.А., Шипилов К.Ф. Высокоэффективный безэлектродный источник света с квазисолнечным спектром на основе тлеющего СВЧ-разряда. Доклады РАН, 1995,Т.344, №2, С.182-183.