Дослідження імпульсного наносекундного розряду з алюмінієвими електродами у воді

Експеримент показав, що екранування розрядної комірки покращує роботу системи реєстрації оптичних характеристик. Екран потрібний для локалізації електромагнітного випромінювання.

Рис. 2.5. Фотографія розрядної комірки під час роботи.

Рис. 2.6. Алюмінієвий (а) і дюралюмінієвий (б) електроди після експерименту, який тривав 20 хв.

 

Для одержання плазми використовувався iмпульсний наносекундний розряд з частота повторення iмпульсiв 35 Гц. Випромiнювання аналiзувалося за допомогою монохроматора МДР-2 з дифракцiйною граткою на 1200 штр./мм в спектральній областi 250-650 нм. Відстань між електродами (голка-площина) становила 1 мм, напруга на тиратроні ТГИ-1000-25 була 13 кВ, баластний опір 150 Ом, напруга на ФЕП 540 В, коефіціент дільника напруги становить 635. Експеримент був проведений з використанням  алюмінієвої голки та дюралюмінієвою площиною і тривав близько 20 хв.

Спектр випромінювання імпульсного наносекундного розряду у воді з використанням дюралюмінієвої площини та алюмінієвої голки був розділений на дві частини і представлений на рис. 3.1.а і рис. 3.1.б.

На рис. 3.2 наведені осцилограми напруги та струму, а також їх добуток, тобто потужність імпульсів. Тривалість імпульса напруги першого і другого імпульсів TU = 112 і 58 нс відповідно. Тривалість імпульсів струму становить TI = 100 і 65 нс для першого і другого імпульсів відповідно. Максимальні значення напруги та струму Umax = 52,2 кВ і Imax = 73 А. Добуток кривих струму і напруги дає криву потужності в імпульсах розряду, де максимальне значення потужності в середньому становить Pmax = 3,2 МВт.  Була розрахована площа під кривими потужностей імпульсів розряду, яка є  повною потужністю імпульсів, а саме для першого S = 164 МВт і другого S = 115,4 МВт. Розрахований об’єм розряду Vр = 23,5•10-4 см3 . Розділивши повну потужність імпульса на об’єм розряду, було отримано  питому потужність розряду. Питома потужність в першому імпульсі рівна Q = 2,58•1010 Вт/см3, а в другому імпульсі Q = 1,82•1010 Вт/см3. В таблиці 3.2 наведені всі електричні та часові характеристики розряду для кожного з імпульсів і їх середні значення.

 

Рис. 3.1.а Спектр випромінювання імпульсного наносекундного розряду у воді в діапазоні 450 – 640 нм.

Рис. 3.1.б Спектр випромінювання імпульсного наносекундного розряду у воді в діапазоні 450 – 640 нм.

Рис. 3.2 Напруга, струм і потужність імпульсного розряду у воді.

 

Таблиця 3.1. Часові та електричні характеристики розряду.

 

 

Зареєстрований типовий спектр випромінювання електророзрядної плазми в діапазоні 250-640 нм. В вказаний діапазон попадають атомні лінії алюмінію, міді водню та кисню. Найбільш інтенсивні лінії в спектрі представлені в таблиці 3.2. Розшифровка спектрів проводилася за даними довідників [16, 17].

Таблиця 3.2. Розшифровка спектру випромінювання імпульсного наносекундного розярду у воді.

 

 

Проведено огляд робіт присвячених дослідженню імпульсного наносекундного розряду у воді. З урахуванням перспективності застосування нанорозмірних структур становить інтерес розробка методів контрольованого синтезу для створення структур із заданими властивостями. У цей час найбільше поширення одержали методи, засновані на хімічному осадженні пари, молекулярної епітаксії, осадженні з газової фази при термічному, лазерному або магнетронному розпиленні, метод формування нанорозмірних часток у результаті розпорошення матеріалу електродів при електричних розрядах у рідині. Таким чином, актуальним є дослідження імпульсного наносекундного розряду з металевими електродами у воді.

Запропоновано та вивчено методику дослідження імпульсних розрядів у воді; спроектовано та виготовлено окремі вузли експериментальної установки.

Розроблено та виготовлено розрядну комірку для вивчення імпульсного наносекундного розряду у воді з різними системами електродів типу «голка-голка» і «голка-площина» та різних металів; запропоновано і виготовлено металевий екран, в який поміщалася комірка, для захисту системи реєстрації від електромагнітних полів.

В ході початкових експериментів за однакових умов (напрузі, частоті, тривалості) виявлено, що алюмінієві електроди розпилюються набагато швидше, ніж дюралюмінієві, це пов’язано із технічними характеристиками цих матеріалів. Експеримент показав, що екранування розрядної комірки покращило роботу системи реєстрації оптичних характеристик. 

Оскільки досліджувана плазма розряду є нестабільною в просторі і часі то отримані значення її параметрів носить лише оціночний характер.

Дослідження спектральних і електричних характеристик імпульсного наносекундного розярду у воді виявило, що установка придатна для одержання наноструктур із матеріалів електродів.

 

1. Кужекин И. П., Курбанов Э. Д. Импульсный разряд в воде // Проблемы енергетики, Моск. энерг. ин-т (МЭИ) . – 2008 . – № 1.
2. Kuzhekin I.P. Durchschlag und Entladung unzer der Wasser, ETZ–A, H5, 1972.
3. Ушаков В. Я., Климкин В. Ф., Коробейников С. М., Лопатин В. В., Пробой жидкостей при импульсном напряжении. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005. – С. 232 – 236.
4. Коликов В. А., Курочкин В. Е., Панина Л. К., Рутберг А. Ф., Снетов В. Н., Стогов А. Ю.  Пролонгированная микробная устойчивость воды, обработанной импульсными электрическими разрядами // ЖТФ 2007, том 77, вып. 2  – С. 118 – 125.
5. Бураков В. С., Невар Е. А., Неделько М. И., Савастенко Н. А., Тарасенко Н. В., Спектроскопическая диагностика плазмы электрического разряда в жидкости // ЖПС 2009. Т. 76. № 6. – С.  907 – 914.
6. Wang Zh.L. Nanostructures of zinc oxide // Materials Today. 2004. V. 6. P. 26 – 33.
7. Haupt M., Ladenburger A., Sauer R. et al. Ultraviolet-emitting ZnO nanowhiskers prepared by a vapor transport process on prestructured surfaces with self-assembled polymers // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. N 10. Pt. 1. P. 6252 – 6257.
8. Chen Y., Bagnall D., Yao T. ZnO as a novel photonic material for the UV region // Mater. Sci. Eng. B. 2000. V. 75. P. 190 – 198.
9. Yao B.D., Chan V.F., Wang N. Formation of ZnO nanostructures by a simple way of thermal evaporation // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. P. 757 – 759.
10. Жерихин А. Н., Худобенко А. И., Вильямс Р. Т. и др. Лазерное напыление пленок ZnO на кремниевые и сапфировые подложки // Квант. Електрон. 2003. Т. 33. № 1. – С.  975 – 980.
11. Jeong Sang-Hun et al. Photoluminescence dependence of ZnO films grown on Si(100) by radio-frequency magnetron sputtering on the growth ambient // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. N 16. P. 2625 – 2630.
12. Бураков В.С., Невар Е.А., Неделько М.И., Тарасенко Н.В. Образование наночастиц оксида цинка при электрических разрядах в воде // Письма в ЖТФ 2008, Т. 34, вып. 16  – С. 1 – 8.
13. Ho G.W., Wong A.S.W., Kang D.J., Welland M.E. One step solution synthesis towards ultra-thin and uniform single-crystalline ZnO nanowires // Appl. Phys. A. 2007. V. 86. P. 457 – 462.
14. Бураков В. С., Савастенко Н. А., Тарасенко Н. В., Невар Е. А. Синтез наночастиц методом импульсного электрического разряда в жидкости // ЖПС 2008. Т. 75. № 1. – С.  111 – 120.
15. Бураков В.С., Тарасенко Н.В., Невар Е.А., Неделько М.И. Морфология и оптические свойства наноструктур оксида цинка, синтезированных методами термического и электроразрядного распыления // ЖТФ 2011, том 81, вып. 2  – С. 89 – 97.
16. Зайдель А. Н., Прокофьев В. К., Райский С. М., Славный В. А., Шрейдер Е. Я. Таблицы спектральных линий. – Москва: Наука, 1969. – 782 с.
17. Smith P. L., Heise C., Esmond J. R., Kurucz R. L. Atomic spectral line database from CD-ROM 23 of Kurucz R. L. – Cambridge: Smithsonian astrophysical observatory, 1995. www.cfa.harvard.edu/