Дослідження джерела імпульсного УФ-випромінювання на основі магнітоплазмового компресора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження джерела імпульсного УФ-випромінювання на основі магнитоплазмового компресора

1. Джерела могутнього оптичного випромінювання на основі магнітоплазмового компресора

Формування могутнього оптичного випромінювання за допомогою плазмодинамічних джерел є найбільш ефективним способом побудови ЕМК ФП оптичного діапазону довжин хвиль. В основу таких джерел покладені коаксіальні плазмові прискорювачі торцевого типу, що працюють в імпульсному режимі. Джерелом енергії є ємнісної нагромаджувач або індуктор, що дозволяють генерувати струми порядку 105-106 А при напрузі кілька кіловольтів. Типова схема коаксіального прискорювача плазми приведена на мал. 1.

МПК працює в такий спосіб. При замиканні ключа К відбувається розряд ємнісного нагромаджувача в результаті попереднього напуску плазми (форплазми) у торцеву область МПК. Розряд у початковій стадії має поверхневий характер з частковою ерозією й іонізацією матеріалу діелектричної втулки. В міру росту струму відбувається відрив ліній струму від поверхні діелектрика й утворення струменево-плазмової оболонки (СПО) у виді конуса в напрямку осі Z прискорювача. Швидкість виносу області розряду може значно перевищувати швидкість звуку в атмосфері, тому робота плазмового прискорювача супроводжується утворенням могутньої ударної хвилі, спрямованої переважно по осі Z.

Найважливішою особливістю МПК є утворення плазмового фокуса (ПФ) - області ударно стиснутої плазми в торцевої частини прискорювача, що власне і являє собою джерело могутнього імпульсного електромагнітного випромінювання й ударної хвилі, фронт якого показаний на мал.2. ПФ, відкритий Н.В. Філіппов у 1954 р., є різновидом так названого Z-пінча, що утвориться за рахунок стиску токового каналу силами власного магнітного поля струму.

Експериментальними дослідженнями показано, що зона ПФ утвориться на відстані 0,5 - 1,5 див від зрізу електродів МПК. Температура плазми в області ПФ залежить від величини струму й енергії, вкладеної в розряд, і може змінюватися в широких межах від 104 до 107 К.

Процес утворення плазми і її характеристик визначаються, крім того, параметрами плазмоутворюючої речовини. Як показують експериментальні дослідження, найбільший внесок в іонний склад плазмового фокуса вносить матеріал, з якого виготовлена діелектрична втулка плазмового прискорювача. Звичайно для цих цілей використовується фторопласт, що характеризується, з одного боку, високою технологічністю, механічною міцністю і термостійкістю, а з іншої високим питомим опором і малими діелектричними втратами. У результаті, плазма на виході МПК збагачується іонами фтору за рахунок "здирання" (скрейлінга) матеріалу діелектричної втулки в початковій стадії роботи плазмового прискорювача. При цьому на поверхні діелектрика поступово утвориться меніск, форма якого також є непрямим індикатором місця розташування плазмового фокуса.

Зазначений ефект дозволяє також оцінити масу плазми, що бере участь у процесі стиску і випромінювання. За допомогою зважування діелектричної втулки до і після 50-кратного спрацьовування МПК в оптимальному режимі (З = 600 мкф, U = 3 кв) плазмоутворююча маса вийшла рівною приблизно 0,5 мг.

Рис.1. Утворення струменево-плазмової оболонки на виході плазмового прискорювача торцевого типу.

Рис.2. Розподіл поля та електричного струму в МПК.

В експериментальних установках по генерації і прискоренню щільної плазми як енергоживлення використовуються ємнісні нагромаджувачі. У цьому випадку максимальна величина струму обмежується впливом індуктивності конденсаторів і паразитної індуктивності монтажу (шинопроводів, що зв'язують електроди конденсаторів і плазмового прискорювача). Мінімізація індуктивності дозволяє реалізувати режим розряду нагромаджувача, близький до аперіодичного, і наблизиться до максимально можливих величин розрядних струмів експериментальних установок.

У даних методичних указівках розглянуті результати експериментальних досліджень джерела могутнього імпульсного випромінювання на основі коаксіального магнітоплазмового компресора (МПК) торцевого типу. Приведено експериментальні залежності параметрів експериментальної установки, зібраної за схемою безшинового типу, що дозволяє одержати високі показники ефективності випромінювання. Приведено залежності параметрів випромінювання та результати досліджень характеристики випромінювання в оптичному діапазоні хвиль.

2. Опис експериментальної установки

Схема експериментальної установки приведена на мал. 3. Електроди коаксіального МПК розташовувалися на металевих аркушах, що з'єднувалися з відповідними електродами конденсаторів нагромаджувача. Заряд нагромаджувача від могутнього випрямляча дозволяв одержувати напруги в діапазоні 2 - 3,6 кв. Запуск установки вироблявся від допоміжного джерела плазми (фор-плазми), електрод якого розташовувався аксиально усередині центрального електрода МПК. При розряді на нього додаткового конденсатора Сфп = 60 мкф фор-плазма, що утвориться усередині камери К1, під дією газокинетичного тиску викидається через отвори в центральному електроді МПК у виді окремих струменів у розрядний проміжок.

Енергія заряджених часток фор-плазми достатня для перекриття розрядного проміжку, так що в результаті відбувається розряд ємнісного нагромаджувача. З окремих плазмових струменів формувалася однорідна плазмова шайба, з якої потім утворювалася токово-плазмова оболонка, характерна для МПК торцевого типу.

Таблиця 1. Параметри експериментальної установки

Відповідно до принципової схеми МПК, розрядний струм у навантаженні складається зі струму ємнісного нагромаджувача , обмеженого дією індуктивності конденсаторів, і струму розряду ємності монтажу , який можна вважати підключеної паралельно навантаженню. Оскільки , початковий кидок струму в результаті розряду дуже малий і не дає внеску в розігрів фор-плазми на передньому фронті імпульсу. Відзначимо, що штучне збільшення шляхом включення безіндуктивних конденсаторів паралельно навантаженню приведе до укорочення переднього фронту імпульсу і є одним з напрямків підвищення потужності випромінювачів на основі МПК.

Рис. 3. Схема МПК із напуском фор-плазми.

1 - зовнішній електрод; 2 - центральний електрод; 3 - камера формування фор-плазми; 4 - плазмові струмені; 5 - додатковий електрод; 6 - фторопластові ізолятори; 7 - аркушевий електрод нагромаджувача - анод; 8 - аркушевий електрод нагромаджувача - катод; 9 - розрядник.

Розглянемо результати вимірів характеристик джерела. Як датчик струму використовувався магнітометричний перетворювач (пояс Роговського) з інтегратором. Напруга вимірялася резистивно-ємнісним дільником.

На мал. 4, приведені тимчасові діаграми розрядного струму ємнісного нагромаджувача (а) і напруги на електродах МПК (б). Як видно розряд носить коливальний характер з великим декрементом загасання, значення якого складає . На підставі тимчасових діаграм i(t) і u(t), можна побудувати залежності миттєвої потужності й опору (мал. 4, в, г). При побудові цих графіків була зроблена корекція перекручувань, внесених параметрами резистивно-ємнісного дільника напруги, постійна часу якого ~ 10 мкс порівнянна з тривалістю досліджуваних процесів. Як видно, миттєва потужність залишається позитивної, отже, опір у процесі розряду має активний характер.

Залежності струму розряду від напруги зарядки нагромаджувача і від величини накопиченої енергії, , приведені на мал.5. Тік зростає лінійно з напругою, тобто можна вважати, що інтегральний опір розрядного контуру, рівне 9,4*10-3 Ом, і середня потужність втрат у досліджуваному діапазоні енергій залишаються постійними. Величину струму можна також оцінити, інтегруючи перший напівперіод осцилограми струму мал.4 а, і порівнюючи результат із зарядом, накопиченим у ємності. Звідси одержуємо

 , (1)

де - тривалість першого напівперіоду струму, - функція, що описує тимчасову залежність струму. Значення, розраховані для обраних величин зарядної напруги в припущенні, що перший напівперіод струму має вид , також показані на мал.5.

а) б)

в) г)

Рис. 4. Типові осцилограми струму розряду (а - 325 кА/справ, 20 мкс/справ), напруги на навантаженні (б - 0,75 кв/справ, 20 мкс/справ), миттєвої потужності (у - 250 МВт/справ, 20 мкс/справ) і опору (м - 2,35 мОм/справ, 20 мкс/справ) при напругах нагромаджувача 2,0 кв і 3,2 кВ [відповідно а) і б) на графіках].

Реєстрація енергії випромінювання в діапазоні 0,3 мкм 10,2 мкм здійснюється за допомогою вимірювача потужності лазерного випромінювання ВМО-2Н. Даний прилад дозволяє вимірювати потужність і енергію оптичного випромінювання за допомогою напівпровідникового чуттєвого елемента, включеного в плече мостової схеми. На передню панель приладу виведені органи в правління режимом роботи приладу (Вимір потужності - Вимір енергії - Калібрування), перемикач діапазонів вимірюваної величини, регулятор установки нуля мостової схеми і стрілочний прилад реєстрації показань.

На мал. 6 приведена залежність щільності потоку енергії випромінювання на відстані 1 м від джерела. Перегин кривої і зниження ступеня росту енергії випромінювання можна пояснити зрушенням максимуму кривої планковского розподілу температури випромінюючого плазмового утворення в ультрафіолетову область, і виходом за межі смуги пропущення приладу при збільшенні енергії, вкладеної в розряд, що приводить до відповідного росту температури плазми. Значення розрядного струму при цьому складає кА.

Рис. 5. Залежності струму навантаження (розрахунок - суцільна, експеримент - крапки) і накопиченої енергії від зарядної напруги (пунктир).

Рис. 6. Залежність струму навантаження (суцільна) і щільності потоку енергії оптичного випромінювання (пунктир) від накопиченої енергії.

При такому струмі магнітний тиск (де - магнітна проникність, - напруженість магнітного поля, створюваного струмом) значно перевищує газокинетичний тиск плазмового стовпа (де - концентрація електронів у розрядному стовпі, - постійна Больцмана, - температура), що приводить до утворення перетяжок і нестійкості і формуванню плазмового фокуса (ПФ). Саме ПФ являє собою джерело могутнього твердого випромінювання. Оцінку температури плазми можна одержати, використовуючи співвідношення Беннета для рівноважного випадку при наявності тільки азимутального магнітного поля, створюваного розрядним струмом

, (2)

де передбачається рівномірний розподіл щільності заряджених часток по перетині плазмового стовпа, - магнітне поле на границі плазмового стовпа радіусом . Підставляючи 1 див, 5*1018 див-3, одержимо 7,8*104 К.

Енергія випромінювання високотемпературної області для даної температури і щільності складає величину порядку 102 Дж. Оцінка сповненої енергії випромінювання виходить інтегруванням щільності потоку по просторовій діаграмі спрямованості випромінювача і складає 1,744 кдж, таким чином, КПД випромінювача дорівнює 0,17. При вимірах передбачається, що розподіл випромінювання прямо пропорційно площі перетину ПФ в азимутальній і меридіональній площинах у просторі.

Просторовий розподіл температури в області розряду й ефекти, що супроводжують потужнострумовий розряд МПК, можна оцінити на підставі фотографій, виконаних із застосуванням оптичних фільтрів (мал. 7). Як видно, найбільш високотемпературна область розряду локалізована поблизу торця центрального електрода і має веретеноподібну форму, характерну для утворення ПФ. Верхній кордон смуги пропущення фільтра УФС-6 дорівнює 320 нм, тому реалізація ПФ представляється дуже ймовірної. Крім того, розряд супроводжується могутньою ударною хвилею на виході плазмового прискорювача й інтенсивною звуковою хвилею, характерної для могутніх електричних розрядів.

а) б)

Рис. 7. Фотографії потужнострумового розряду МПК, виконані з застосуванням оптичних фільтрів а) ОС-6+СС-6; б) НС-10.

Використання фільтрів з більш низькочастотною характеристикою пропущення показує, що області з меншою температурою мають великі розміри й у червоній області спектра розряд має дифузійний характер. При дослідженні електродів МПК після декількох спрацьовувань відзначаються ефекти інтенсивної ерозії центрального електрода, т.е температура металу, що викидається при ерозії < 5500 K. У деяких випадках розряд мав асиметричну форму в результаті неоднорідного викиду фор-плазми в розрядний проміжок. Найбільше чітко просторовий розподіл температури в області розряду видно на кольорових фотографіях і на мал. 7, а.

Можна виділити чотири характерні області:

1) високотемпературна область ПФ на торці центрального електрода приблизно рівна його діаметру і имеющая висоті порядку ;

2) внутрішня область у межэлектродной частини, що займає найбільший обсяг і охоплює ПФ;

3) область токово-плазменої оболонки і

4) зовнішня низькотемпературна область розігрітого газу, що складає в основному з нейтральних молекул.

3. Дослідження швидкоплинних процесів за допомогою швидкісного фоторегістратора СФР

Для одержання тимчасових розгорнень процесів, швидкість яких перевищує тимчасові можливості звичайної фотографічної техніки і телевізійних засобів застосовуються швидкісні пристрої, що фотореєструють, СФР. Структурна схема оптичної системи СФР приведена на мал. 8. Випромінювання быстропротекающего процесу 0 через об'єктив 6 фокусируется на обертовому дзеркалі 1 у центрі ПРО1. Відбите від дзеркала зображення через кадрирующую рамку 2 попадає на фотоплівку 3, розташовану по окружності з центром ПРО1 усередині світлонепроникного корпуса 8.

Рис.8. Схема оптичної системи СФР

Аналіз зображення здійснюється світлофільтрами 7, розташовуваними на шляху світлового променя від об'єкта 0. Об'єктив постачений електричним затвором, що відкривається в момент часу, коли промінь знаходиться в області першого кадру фотокасети, що подає, 4. Синхронізація забезпечується за допомогою сигналу, зв'язаного з імпульсом світла на виході синхрощели 5, розташованої перед касетою, що подає. Кут проходу лучачи, відбитого від дзеркала, між що подає і приймальнею фотокасетами 4 відповідає приблизно 12 кадрам стандартної фотоплівки. Таким чином, за допомогою однієї плівки можна зареєструвати 3 процеси.

Оцінимо швидкість розгорнення СФР. Нехай відстань від обертового дзеркала до плівки , кутова швидкість обертання дзеркала , а стандартний лінійний розмір кадру 36 мм. Тоді період між кадрами визначається по формулі

. (3)

Система керування СФР дозволяє установити дискретні значення швидкості обертання дзеркала відповідно до табл.2. Тут же приведені розраховані значення періоду розгорнення. Величина 400 мм.

Таблиця 2. Дискретні розгорнення СФР

Подальше збільшення швидкості розгорнення досягається застосуванням кадруючих рамок зі збільшеним число отворів (мал.9). При використанні кадруючих рамок із двома і чотирма отворами період розгорнення з табл.2 необхідно зменшити відповідно в 2 і 4 рази. Крім зазначених у таблиці значень можлива плавна установка швидкості обертань дзеркала. При цьому використовується електронно-променевий частотомір, розташований у блоці керування СФР.

Картина розряду, зареєстрованого за допомогою МПК при розгорненні 8 мкс, показана на мал.10.

4. Основи медичної стерилізації

У медичній практиці вводяться наступні терміни:

стерилізація - повне знищення мікрофлори в досліджуваній біомасі, чи середовищі на оброблюваній поверхні;

бактерицидна (антибактеріальна) обробка - знищення хвороботворних мікроорганізмів (збудників хвороб: вірусів, бактерій, спорових і ін.);

бактериостатическая обробка - стабілізація приросту хвороботворної мікрофлори;

очищення - обробка, зв'язане з чи виключенням видаленням залишків маси (бруд, пил, волога й ін.).

У залежності від вимог, що встановлюються для досягнення того чи іншого ефекту, буде змінюватися необхідна доза бактерицидного фактора. Як засіб впливу на хвороботворні мікроорганізми можуть виступати механічні, хімічні чи фізичні джерела. Зокрема, широко використовуються електромагнітні поля різних діапазонів довжин хвиль, у першу чергу - УФ випромінювання.

5. Закон Вебера-Фехнера

У середині XIX століття Э. Вебером проводилися дослідження в області фізіології. Одним із предметів вивчення була залежність сприйняття від величини зовнішнього подразника з метою встановлення кількісних співвідношень.

Аналізуючи раніше поставлені досвіди Бугера, у яких визначався зв'язок між сприйняттям освітленості екрана і приростом висвітлення, Вебер експериментально показав, що відношення мінімального приросту роздратування до його початкової величини є величина постійна. Як роздратування можна використовувати будь-як фізичну величину: вага якого-небудь тіла для м'язового сприйняття, довжину ліній, освітленість об'єкта для зорового сприйняття, висоту звукового тону для слуху, температуру для дотику й ін.

Пізніше Фехнер узагальнив результати досвідів Бугера і Вебера й установив в остаточному виді зв'язок між мінімальною величиною приросту роздратування і його початковим значенням. Як було визначено, закон Вебера говорить: мінімальна величина приросту роздратування щодо його вихідної величини є постійна, тобто

. (3)

Відповідно до висновків Фехнера мінімальний приріст відчуття (реакції) у результаті дії подразника також постійна величина, пропорційна відносному приросту роздратування. Одержуємо в підсумку

. (4)

Тут - коефіцієнт пропорційності. Величину можна розглядати як одиницю виміру приросту відчуття. Інтегруючи (4), одержимо

, (5)

де А - постійна інтегрування.

Для додання фізичного змісту вхідним у (5) величинам, припустимо, що при мінімальному граничному значенні величини роздратування реакція дорівнює нулю, тобто

, (6)

відкіля

. (7)

У такий спосіб постійна А являє собою значення роздратування при граничному стимулі.

Підставляючи (7) у (5), одержимо

. (8)

Припускаючи, що принципово можна вимірити будь-який надграничний подразник, Фехнер зробив висновок про те, що граничний стимул є одиниця виміру, тобто . Тоді з (8) остаточно виходить

. (9)

Формула (9) представляє запис закону Вебера-Фехнера.

6. Методика розрахунку енергетичної дози випромінювання, необхідної для очищення повітря і поверхонь у приміщенні

оптичний випромінювання магнітоплазмовий компресор

Для кількісної оцінки величини енергії, затрачуваної на досягнення бактерицидного ефекту, вводиться поняття дози бактерицидного УФ-випромінювання , що дорівнює енергії, що проходить через одиницю площі поверхні за визначений проміжок часу і приводить до бактерицидного ефекту

, мвт?с?м-2. (10)

Знаючи необхідну дозу, можна обчислити час опромінення .

Кількісна оцінка ефективності бактерицидної дії випромінювання характеризується відношенням числа загиблих мікроорганізмів до їхнього початкового числа , і виражається у відсотках у такий спосіб

. (11)

У залежності від конфігурації (лінійний чи об'ємний випромінювач) і режиму роботи (безупинний чи імпульсний) джерела УФ-випромінювання інтенсивність визначається по формулах:

для лінійного випромінювача (наприклад, бактерицидної УФ-лампи типу БУВ)

, мвт/див2, (12)

де - потужність бактерицидного УФ-випромінювання , Ут;

- довжина світного стовпа УФ-лампи, див;

- відстань по нормалі від середини випромінювача до розрахункової крапки, див;

для об'ємного випромінювача

, мвт/див2. (13)

Залежність бактерицидної ефективності фізичного чи хімічного фактора від дози для мікроорганізмів описується законом Вебера - Фехнера, що у даному випадку має вид

, (14)

відкіля

. (15)

Останнє рівняння дозволяє визначити необхідне значення дози по заданому рівні бактерицидної ефективності.

Размещено на Allbest.ru