Захаров Илья
г. Москва
ГБОУ г. Москвы "Школа № 875", 11 класс
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ФОРСАЖА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СВЕТОСИЛЫ ДУГОВЫХ ДЕЙТЕРИЕВЫХ ЛАМП
4
Научный руководитель: Смирнов Владимир Николаевич, г. Москва, Федеральный исследовательский центр химической физики Российской Академии наук (ФИЦ ХФ РАН), ведущий научный сотрудник
8
Еф
Илья Захаров
48
Еб
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ФОРСАЖА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СВЕТОСИЛЫ ДУГОВЫХ ДЕЙТЕРИЕВЫХ ЛАМП
Абсорбционная спектрометрия
СПЕКТРОМЕТРИЯ (абсорбционная) —физико-химический метод исследования газовых смесей, растворов и твердых веществ, основанный на изучение спектров поглощения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной части спектра. Методом спектрометрии изучают зависимость интенсивности (энергии) излучения, поглощения, отражения, рассеяния или иного преобразования света, излучаемого веществом или падающего на него, от длины волны. Спектрометрия широко применяют для изучения строения и состава различных соединений (комплексов, красителей, аналитических реагентов и т. д.), для качественного и количественного определения веществ (открытия следов элементов в металлах и сплавах). Приборы, которыми пользуются в спектрометрии называют спектрофотометрами.
Введение
Форсированное питание источников излучения использовалось в ряде работ для получения приемлемого соотношения сигнал/шум в абсорбционных спектрофотометрических измерениях. Следует, однако отметить, что в этом случае аппаратура достаточно громоздка и лампы быстро выходят из строя из-за разрушения электродов и осаждения распыленного материала электродов (вольфрама) на стенках баллона лампы. Кроме того, из-за высокого тока питания в форсированном режиме (~1000 A) возникают электромагнитные наводки на другие элементы измерительной аппаратуры. Альтернативным источником света для абсорбционной спектрометрии в УФ области являются дуговые дейтериевые ДДС лампы. Насколько нам известно, в отличие от дуговых ксеноновых ламп, ДДС лампы не использовались в форсированном режиме, хотя запрос на такие источники света в физико-химических исследованиях существует.

Дуговые дейтериевые спектральные лампы (далее лампы) служат стандартным источником света в спектрометрах для записи спектров в области 200–350 нм. Такие лампы используются также для спектрофотометрического определения концентрации различных молекул и радикалов в статических, проточных и импульсных химических реакторах. В статических и проточных реакторах измерения продолжаются достаточно долго и по этой причине можно использовать аппаратуру с низким временным разрешением. Это обстоятельство позволяет получать приемлемое соотношение сигнал/шум даже для относительно малоинтенсивных источников света, коими являются ДДС лампы. Для импульсных реакторов, таких как ударные трубы, ситуация существенно другая – требуется временное разрешение ~1–2 мкс. В этих условиях интенсивность ДДС лампы, работающей в стационарном режиме, при номинальном токе питания ~0.3 А, не обеспечивает удовлетворительного соотношения сигнал/шум (≥ 10). С другой стороны, время наблюдения в ударной трубе достаточно короткое – несколько миллисекунд. По этой причине ток питания ДДС лампы может быть многократно увеличен на этот короткий промежуток времени без нанесения вреда или разрушения лампы. При этом ожидается, что при этом интенсивность ДДС лампы также существенно увеличится.

Таким образом, целью настоящей работы является описание разработки электронного прибора для форсированного питания дуговых дейтериевых ламп и первых результатов его применения для исследования кинетики метильных радикалов на установке ударная труба, проведенных в Федеральном Научном Центре Институт Химической Физики Российской Академии Наук.
Проблема
  • Для спектрофотометрического определения концентрации различных молекул и радикалов в статических, проточных и импульсных химических реакторах применяются дуговые дейтериевые спектральные (ДДС) лампы служат стандартным источником света в области 200–350 нм.
  • В импульсных реакторах (ударные трубы), время наблюдения составляет 1–2 мс.
  • Основная проблема использования ДДС ламп в импульсных реакторах это их низкая интенсивность, которая не обеспечивает удовлетворительного соотношения сигнал/шум (≥ 10).
  • Для проведения качественных исследований световой поток ДДС лампы требуется многократно увеличить (в 10 более раз) на этот короткий промежуток времени без нанесения вреда или разрушения лампы.
Цель работы
Многократное увеличение светового потока лампы , путем форсирования питания на период наблюдения (1-4 мс).
См. рисунок, где: А – штатный режим работы лампы; Б – форсированный режим работы лампы.
Впервые разработано и собрано электронное устройство, позволяющее на короткое время (в пределах нескольких миллисекунд) в несколько раз (до 20 раз) увеличивать ток, протекающий через дуговую дейтериевую спектральную (ДДС) лампу, что приводит к многократному увеличению интенсивности ее излучения в УФ диапазоне (190–350 нм) и, соответственно, значительному улучшению соотношения сигнал шум в абсорбционных измерениях. Применение данного устройства в сочетании с ДДС лампой NARVA для абсорбционных измерений на установке ударная труба (ФИЦ ИХФ РАН) позволило провести надежную регистрацию временного поведения концентрации метильных радикалов при их образовании в результате термического распада ацетона за отраженными ударными волнами и во время воспламенения смесей метана с кислородом. Проведенные измерения дали возможность получить новые кинетические данные о реакциях этих радикалов в указанных процессах.
Разработка концепции электрической схемы форсированного питания ДДС лампы Narva D2E/1
  • При включении прибора загорается ДДС лампа в штатном режиме (см. рисунок).
  • При срабатывании датчика давления включается таймер с временными интервалами в 1, 2, 3 или 4 миллисекунды (мс) с точностью + 0,1 мс.
  • Этот сигнал поступает на быстродействующий электронный ключ, выполненный на полевом транзисторе и включенный параллельно большей части балластного сопротивления в цепи катода ДДС лампы.
  • Включенный на заданный интервал транзистор шунтирует балластный резистор, что приводит к мгновенному повышению анодного тока лампы на порядок и выше.
Расчет электрической схемы форсажа ДДС лампы
  • Штатный режим работы лампы: Ua=350B; Uл=70В; Ia=0,3A
  • Определим величину балластного сопротивления: R1+R2=(Ua-Uл)/Ia= (350-70)/0,3=900 Ом
  • В режиме форсажа анодный ток должен возрасти до 10 раз, следовательно, балластное сопротивление должно быть уменьшено также в 10 раз.
  • Таким образом, балластное сопротивление разбиваем на два R1= 80 Ом и R2=820 Ом.
  • При шунтировании сопротивления R2 величина балластного сопротивления уменьшается в 10 раз, а анодный ток увеличивается также в 10 раз.
  • Исходя из требований к быстродействию и максимальному току выбираем MOSFETs транзистор 18N50 со следующими характеристиками: Umax=500 V, Imax=18A, Tmax< 55ns.
Разработка электрической схемы управления электронным ключом
  • Промышленностью широко выпускается драйверы для MOSFETs транзисторов, включающие в себя функции защиты от перегрева и превышения максимального тока.
  • Использование готовых драйверов сокращает время на проектирование и повышает надежность устройства в целом.
  • Подходящим для нашего случая является драйвер IR21102, который полностью отвечает требованиям для управления MOSFETs транзистором 18N50, который мы используем в качестве электронного ключа.
Разработка электрической схемы генератора импульсов 1, 2, 3 и 4 мс.
  • В качестве времязадающего устройства выбрана типовая схема ждущего мультивибратора на прецизионном таймере NE555.
  • Длительность импульсов форсажа задается RC цепочками: R5C2, R6C2, R7C2 и R8C2.
  • Из формулы заряда конденсатора: U=Uc x [1-e-t/e(-t/τ)]• Где Uc – напряжение питания равное 12В,
  • Время заряда конденсатора t соответствует времени форсажа лампы и определяется по формуле: t=-ln(1-U/Uc) RC
  • Зная время форсажа и величину времязадаюшего конденсатора С2 найдем значения сопротивлений R5, R6, R7 и R8 по следующей формуле: R=t/-ln(1-U/Uc)C
  • Для следующих значений времени фосажа: (1 мс) R5 = 10к; (2 мс) R6 = 20к; (3мс) R7 = 30к; (4мс) R8 = 40к
Электрическая схема прибора
С учетом вышеизложенного и произведенных расчетов получаем следующую электрическую схему прибора
Фотографии конструкции прибора
Реальная осциллограмма форсажа дуговой дейтериевой лампа Narva
Увеличение интенсивности ДДС лампы Narva на длине волны λ = 216.4 нм при кратковременном увеличении тока питания от 0.3 до 5 А (в 16 раз): А и Б – интенсивность в стационарном режиме и во время форсажа (в 10 раз).
Заключение
Прибор прошел успешные испытания в Лаборатории № 0115 ФИЦ ХФ РАН в составе научной аппаратуры ударной трубы. Получены первые успешные научные результаты. Прибор включен в состав научных приборов стенда.

Идея и конструкция прибора отвечают принципу технической новизны.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность научному руководителю, ведущему научному сотруднику, доктору физико-математических наук ФИЦ ХФ РАН, Смирнову Владимиру Николаевичу за предложенную идею и возможность прикоснуться к реальным и интересным научным исследованиям, а также сотрудникам лаборатории 0115 ФИЦ ХФ РАН за консультации по разработке и изготовлению прибора.
Расписание работы автора проекта
15 апреля, пт
Диалог с экспертами
Ответы на вопросы
12:00
12:20

13:35 - 13:45

Садовский А.М.
Поздышев М.Л.
15 апреля, пт
12:40
13:00
13:20
Винтайкин Б.Е.
Новиков В.С.
Бункин Н.Ф.

Задайте вопрос автору проекта
Обязанность отвечать на заданные вопросы остается полностью на участнике. Организаторы форума не несут ответственности за сроки получения ответа.
Заполняя данную форму Вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности сайта.
Пообщайтесь с автором в режиме реального времени
Вы можете посмотреть диалог с экспертом и задать вопросы автору в форме вебинара.
Расписание сессий приведено выше