УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ОЗОНИРУЮЩАЯ ЛАМПА Российский патент 1997 года по МПК H01J61/20 H01J61/72 

Изобретение относится к области газоразрядных источников излучения, в частности к источникам излучения, предназначенным для генерации озона в кислородосодержащей среде.

Газоразрядная лампа низкого давления, заполненная парами ртути и инертного газа, эффективно преобразует подводимую электрическую энергию в световую энергию ультрафиолетового диапазона. До 90% энергии излучения ртутной лампы низкого давления содержится в резонансных линиях ртути с длиной волны 185 и 254 нм, причем интенсивность линии 254 нм, как правило, в несколько раз выше.

Интенсивность резонансного излучения лампы зависит от ряда параметров лампы, которые могут быть разделены на три группы: 1) конструктивные параметры (геометрические размеры лампы, материал стенок); 2) параметры возбуждения разряда (способ возбуждения электродный или безэлектродный, временная зависимость тока через лампу); 3) наполнение (давление паров ртути, давление и состав наполнителей).

Как правило, создание ультрафиолетовых источников излучения имеет целью увеличение мощности излучения в дальнем ультрафиолетовом диапазоне.

Известны изобретения, где цель изобретения увеличение интенсивности в дальнем ультрафиолетовом диапазоне достигается за счет конструктивных изменений источника излучения [1]
Известно также изобретение [2] в котором предлагается безэлектродная лампа в виде колбы для получения относительно высокой выходной мощности в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, состоящая из кварцевой оболочки, заполненной ртутью в количестве от 0,5 до 0,9 мкл на 1 мм³.

В вышеназванных примерах ультрафиолетовая ртутная лампа использовалась как источник света и поэтому оптимизация ее параметров проводилась с целью увеличения светового потока. Резонансное излучение ртути 185 нм способно диссоциировать молекулярный кислород, что позволяет использовать ртутную лампу в качестве основного элемента фотохимического генератора озона, в котором излучение лампы инициирует цепочку реакций в кислородсодержащей среде, приводящую к образованию озона. Озонирующая способность ртутной лампы позволяет сформулировать другой критерий к выбору параметров лампы - максимальную концентрацию генерируемого в ходе фотохимических реакций озона.

Задачей настоящего изобретения является создание лампы, обеспечивающей максимальную озонирующую способность при ее использовании в генераторах озона.

В настоящем изобретении предлагается ультрафиолетовая озонирующая лампа, состоящая по крайней мере из кварцевой оболочки, эффективно пропускающей излучение в дальнем ультрафиолетовом диапазоне с наполнителями, при возбуждении генерирующая излучение ртути с длиной волны 185 и 254 нм.

В соответствии с изобретением состав и давление наполнителей, а также давление ртути выбраны в области максимума функции

где W полная мощность излучения лампы (W W₁ + W₂),
W₁ мощность излучения резонансной линии ртути 185 нм;
W₂ мощность излучения резонансной линии ртути 254 нм.

На фиг. 1 показана зависимость мощности излучения резонансных линий ртути 185 нм (W₁) и 254 нм (W₂) от давления инертного газа аргона.

На фиг. 2 зависимость отношения мощности излучения резонансной линии ртути 185 нм к мощности излучения резонансной линии ртути 254 нм (Δ = w₁/w₂) от давления инертного газа аргона.

На фиг. 3 зависимость W₁ и W₂ от температуры стенок лампы, определяющей давление паров ртути.

На фиг. 4 зависимость Δ от давления паров ртути.

На фиг. 5 зависимость полной мощности резонансного излучения (W W₁ + W₂) и оптимизируемой функции от давления аргона.

На фиг. 6 зависимость W и F от давления паров ртути.

При облучении газа, состоящего из смеси кислорода и азота, излучением резонансных линий ртути 185 и 254 нм инициируются следующие фотохимические реакции:

При давлении, близком к атмосферному в стационарных условиях, решение системы кинетических уравнений, написанных на основании приведенной схемы реакций, показывает, что концентрация генерируемого озона не зависит от мощности резонансного излучения линий 185 и 254 нм, а определяется лишь отношением мощности излучения этих линий.

где Δ отношение мощности излучения линии 185 нм к мощности излучения линии 254 нм,
A функция, зависящая от констант скоростей реакций (1) (16), сечений поглощения кислородом и озоном резонансного излучения ртути 185 и 254 нм и концентраций кислорода и азота.

Анализ системы кинетических уравнений в нестационарном случае показывает, что время перехода облучаемой системы в стационарное состояние (τ) обратно пропорционально полной мощности излучения.

В фотохимическом реакторе, изготавливаемом, как правило, по проточной схеме, образующийся озон выводится из облучаемой зоны реакции, при этом устанавливается некая стационарная для данного потока газа концентрация озона. Количество образующегося озона растет с увеличением скорости потока газа, поэтому, как правило, для образования большого количества озона реакторы работают при больших скоростях потока газа, при которых установившаяся концентрация пропорциональна стационарной концентрации в отсутствие потока и обратно пропорциональна времени установления стационарной концентрации в отсутствие потока. С учетом приведенных выше рассуждений для концентрации озона в проточном реакторе получается

При фиксированных конструктивных параметрах лампы и параметрах возбуждения разряда спектр излучения ртутной лампы определяется лишь параметрами наполнения, а именно давлением паров ртути и составом и давлением прочих наполнителей. Для создания максимальной концентрации озона в проточном реакторе необходима ртутная лампа с параметрами наполнения, обеспечивающими максимум функции F, определяемой как произведение на W.

По фиг. 1 6 можно проследить определение параметров наполнения при использовании в качестве наполнителей ртути и аргона.

Изображенная на фиг. 2 и 4 зависимость D от параметров наполнения является монотонно убывающей. Функция W, изображенная на фиг. 3 и 5, имеет максимум при некоторых значениях параметров наполнения. Умножение функции W на монотонно убывающую приведет к сдвигу максимума в сторону меньших значений параметров наполнения. Следовательно, критерий максимальной озонирующей способности и максимальной мощности резонансного излучения ртутной лампы не эквивалентны. Наилучшая озонирующая лампа должна наполняться до меньших давлений инертного газа и паров ртути, чем лампа с максимальной энергией резонансного излучения.

В результате приведенных выше рассуждений предлагается способ наполнения наилучшей озонирующей лампы, основанный лишь на измерении мощности излучения резонансных линий 185 нм (W₁) и 254 нм (W₂), который состоит в следующем:
определении зависимостей W₁ и W₂ от параметров наполнения;
расчете функции параметров наполнения D и W;
определении максимума функции ;
выборе параметров наполнения, соответствующих максимуму функции F.

Использование: в газоразрядных источниках излучения, а именно в газоразрядных ртутных лампах, предназначенных для генерации озона. Сущность изобретения: ртутная лампа состоит по крайней мере из кварцевой оболочки с наполнителями, эффективно пропускающей излучение в дальнем ультрафиолетовом диапазоне. При возбуждении генерируется излучение ртути с длиной волны 185 и 254 нм. Состав и давление наполнителей, а также давление ртути выбраны на основании критерия максимальной концентрации озона, генерируемого лампой, с учетом конструктивных параметров и параметров возбуждения разряда. 6 ил.

Ультрафиолетовая озонирующая лампа, состоящая по крайней мере из кварцевой оболочки, эффективно пропускающей излучение в дальнем ультрафиолетовом диапазоне с наполнителями, при возбуждении генерирующая излучение ртути с длиной волны 185 и 254 нм, отличающаяся тем, что состав и давление наполнителей, а также давление ртути выбраны в области максимума функции

где W полная мощность излучения лампы (W W₁ + W₂);
W₁ мощность излучения резонансной линии ртути 185 нм;
W₂ мощность излучения резонансной линии ртути 254 нм.