Spektrální diagnostika klouzavých výbojů typu Glid-Arc

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ Přírodovědecká fakuta Spektrání diagnostika kouzavých výbojů typu Gid-Arc Bakaářská práce Brno 2007 Dana Skáceová 1

2 Prohašuji, že jsem bakaářskou práci vypracovaa samostatně s použitím uvedené iteratury. V Brně Dana Skáceová 2

3 Děkuji vedoucímu mé bakaářské práce doc. RNDr. Ctiboru Tesaři, Csc za cenné rady a odborné vedení v části teoretické a bezpečné vedení v práci experimentání. 3

4 Anotace V předkádané práci je spektráními metodami určována eektronová, vibrační a rotační tepota kouzavého výboje typu Gid-Arc na růžkových Cu eektrodách. Ten by buzen vysokým střídavým napětím o frekvenci 50Hz za atmosférického taku. Pracovním pynem by vzduch, moho být tedy využito spektráních metod vypracovaných pro moekuární dusík N2 a OH radikáy. Spektra bya snímána při různých průtocích vzduchu v různých místech výboje. Anaýza optických emisních spekter bya provedena programem Spectrum Anayzer 1.6, který je vyvíjen na fakutě Fyziky. Anotation This work concerns the determination of eectron, rotation and vibration temperatures of giding discharge (Gid-Arc) in horn-shaped Cu eectrodes. Discharge was excited high a.c. votage under atmospheric pressures. The working gas was air, we may make use of spectra methods eaborated for moecuar nitrogen N2 and OH radicas. Spectrums were scaned at various rates of air fow in various parts of discharge. Anaysis of the optica emission spectra was used program Spectrum Anayzer 1.6, that was deveoped at Facuty of Physics. 4

5 Obsah 1 Úvod 6 2 Teoretická část Oboukový výboj typu Gid-Arc Měření tepot z emisních spekter Stanovení tepoty eektronů z reativních intenzit atomových spektráních čar Stanovení rotační tepoty z reativních intenzit rotačních spektráních čar Stanovení vibrační tepoty z reativních intenzit hav vibračních pásů Experimentání část Experimentání uspořádání Výpočet tepoty eektronů Výpočet rotační tepoty Rotační tepota OH radikáu Rotační tepota N Výpočet vibrační tepoty Závěr 38 5

6 Kapitoa 1. Úvod Optická emisní spektroskopie je zákadní metodou diagnostiky pazmatu. Na rozdí od ostatních metod, jako jsou napříkad sondová měření, hmotnostní spektroskopie, nebo aserové diagnostické metody, nijak neovivňuje procesy probíhající uvnitř pazmatu. Je zaožená na detekci a anaýze záření emitovaného excitovanými částicemi v pazmatu. Je použitená pro všechny typy výbojů a za nejrůznějších podmínek. Kvaitativní optická emisní spektroskopie je používána ke stanovení jednotivých sožek pazmatu. Kvantitativní pak ke stanovení eektronové tepoty, tepoty neutráního pynu, vibrační a rotační tepoty jednotivých moekuových stavů. Vzhedem ke kompikovanosti moekuárních spekter se zpravida omezujeme jen na spektra dvouatomových moeku, která jsou nejjednodušší. K disociaci moeku, tedy k rozožení moeku na jednotivé atomární sožky, dochází za zvýšené tepoty. Takže tyto moekuy se vyskytují ve výbojích při tepotách menších než 6000K v podstatě vždy a proto je ze pro stanovení energetických poměrů v pazmatu snadno použít. Pode druhu výboje může tato hodnota nabývat až 8000K. Předmětem této experimentání práce byo přibižné stanovení tepot jednotivých sožek neizotermického pazmatu oboukového výboje typu Gid-Arc buzeného ve vzduchu. Po dohodě s vedoucím bakaářské práce by výboj buzen pouze za atmosferického taku. 6

7 Kapitoa 2. Teoretická část 2.1 Oboukový výboj typu Gid-Arc Kouzavý eektrický oboukový výboj, tzv. Gid-arc (ang. Gidding arc kouzavý obouk), je představiteem neizotermického pazmatu tvořeného sabě ionizovaným pynem. Výboj bývá buzen mezi dvěma růžkovými eektrodami z různých materiáů v rozsahu taků vemi nízkých až po taky řádově jednotek MPa [1]. Konstrukce je tvořena párem růžkových eektrod rozbíhajících se po proudu pracovního pynu. Po přiožení pracovního stejnosměrného nebo střídavého napětí dochází v místě nejmenší vzdáenosti mezi eektrodami k průrazu a jiskrový pazmový kaná je unášen ve směru proudícího pynu. Při jisté déce, kdy už zdroj napětí nedokáže dodávat napětí potřebné k udržení proudového vákna, dojde k jeho přetržení. Tím se přeruší proud a dojde ke zvýšení napětí na eektrodách. Poté se výboj opětovně zapáí v nejužším místě a cykus se opakuje [7]. Mezi růžkovými eektrodami vznikají dva typy výbojů. V nejužším místě a bezprostředně nad ním vzniká jiskrové poe v důsedku veké intenzity eektrického poe. Jiskrová obast je charakteristická vysokou eektronovou tepotou. Nad touto obatí je obast zanikajících jisker a tedy obast koronového výboje, kouzajícího podé eektrod v důsedku proudění vzduchu [1]. V tomto eektricky upraveném pynu jsou mnohé sožité moekuy rozbity a utvoří jednoduché moekuy, atomy, pozitivní a negativní ionty, voné radikáy a voné eektrony o veké kinetické tepotě. Charakter a vastnosti výboje jsou dány geometrií a materiáem eektrod, prouděním vzduchu ( druh pynu, rychost průtoku) a napájecím zdrojem (CS výboj, ST výboj, RF výboj). 7

8 Spektrání diagnostika souží pak k poznávání vastností těchto výbojů a jejich možného použití ke spaování a rozkadu organických směsí. Kouzavý výboj má největší použití při diagnostice pracovního pynu(jeho ředění, koncentrování, čištění), či opracování pevných átek (zbavování nečistot, zušechťování, antikorozní povrchy). Dáe při eiminaci mnoha toxických par a pynů, kdy se použije určitého výboje generovaného přímo na znečištěný pyn. Tento výboj produkuje vemi aktivní částice, které podnítí oxidaci těchto toxických komponent. V praxi je Gid-Arc používán napříkad k dekompozici touenových par nebo destrukci uhovodíkových nečistot. V technické praxi je možné se setkat se speciáním kouzavým výbojem na dieektriku v zapaovacích svíčkách pro použití v automobiech. Tyto svíčky jsou vyvíjeny ke zepšení účinnosti motorů a zároveň mají poněkud větší životnost.[6] 2.2 Měření tepot z emisních spekter Stanovení tepoty eektronů z reativních intenzit atomových spektráních čar Optické emisní spektrum vzniká přechodem nabuzených eektronů atomu mezi energetickými hadinami, pode postuátu, který říká, že rozdí energií mezi horní Em a doní E n energetickou hadinou udává energii světeného kvanta o přísušné frekvenci E m E n=h mn= hc mn (1) kde h je Panckova konstanta, c rychost světa. Za předpokadu okání termodynamické rovnováhy je rozožení jednotivých excitovaných stavů popsáno Bozmannovým rozděením Em g n m=n m e kt e (2) kde g m je statistická váha horního energetického stavu, k Bozmannova konstanta, E m excitační energie horní hadiny, T e tepota shodná s tepotou eektronů, n je koncentrace ibovoně nabuzených stavů, stavová suma. 8

9 Po dosazení do vztahu pro energii vyzářenou za sekundu, která je pode Einsteina rovna I nm=anm N m h nm (3) dostaneme vztah pro intenzitu spektrání čáry Em g m Amn kt I =konst. e e (4) kde A mn Einsteinův koeficient spontánní emise, N m počet atomů v horním kvantovém stavu m, konst.= hc obsahuje všechny konstanty. 4 Po zogaritmování obdržíme závisost n I 1 = E konst. g m A mn kt e m Z této závisosti získáme rovnici tzv. pyrometrické přímky, z jejíž směrnice tan = 1 kt e získáme tepotu eektronů. Intenzita spektráních čar tedy závisí na pravděpodobnosti eektronových přechodů a na čtvrté mocnině frekvence emitované spektrání čáry. Vysokou pravděpodobnost mají dva sousední eektronové stavy, zákadní a nejníže excitovaný. Tyto čáry mají ve spektru největší intenzitu.[3],[4] Eektronová tepota v buzeném výboji bya určována z reativních intenzit tří, resp. čtyř atomových čar mědi o vnových dékách: λ = (510,554; 515,324; 521,820; 578,213) nm Stanovení rotační tepoty z reativních intenzit rotačních spektráních čar Uvažujeme-i a představíme-i si dvouatomovou moekuu jako tuhý rotátor, rotující podé osy komé na spojnici jader obou atomů, vypývá z teorie, že její rotační energie je kvantována. Rotační spektrum moekuy vzniká v důsedku zářivých přechodů právě mezi těmito rotačními energetickými hadinami, a to na zákadě jistých výběrových pravide. 9

10 Pode kvantové mechaniky jsou možné energetické stavy dány vztahem h 2 J J 1 E= 2 8 I který je řešením Schrödingerovy rovnice. Zde h je Panckova konstanta, J rotační kvantové číso, I moment setrvačnosti systému. Při hedání rovnice pro intenzitu rotační čáry vycházíme ze vztahu (3), pro vyzařovanou vnovou déku patí Bohrova podmínka (1). Intenzita rotační čáry v rámci jednoho vibračního pásu je tedy dána vztahem I =konst. SJ J 4 EJ kt r (5) e kde konst. je konstanta pro danou rotační větev, J, J jsou rotační kvantová čísa horního a doního stavu, S J J je reativní sía rotační čáry, tzv. Honův Londonův faktor, k Bozmannova konstanta, T r rotační tepota a E J je energie rotačního pohybu, která je v rámci modeu tuhého rotátoru dána E J =hc [ Bv J J 1 ] kde B v je rotační konstanta. Logaritmujeme-i vztah pro intenzitu, obdržíme ineární závisost n I 4 1 = E konst. SJ J kt r J Grafem této závisosti je opět přímka, a z její směrnice tan = určíme rotační tepotu T r 1 kt t. Představa tuhého rotátoru je pouze ideaizací, ve skutečnosti je třeba provést sožitější výpočty předchozích vztahů. Na tomto principu je zaožena tzv. Ornsteinova - van Wijkova metoda. Pro stanovení tepoty se používají rotační čáry téže větve, které netvoří hranu pásu.[3],[4] Rotační tepota bya určována z rotační struktury moekuy OH a rotační struktury moekuy N2. U moekuy OH byo použito reativních intenzit prvních šesti rotačních čar větve Q1, konkrétně kvantových číse (3/2, 5/2, 9/2, 11/2, 13/2). U moe10

11 kuy dusíku se rotační tepota určovaa z reativních intenzit rotačních čar R větve vibračního pásu 0-0, kdy byo použito rotačních čar s kvantovými čísy J: 25 až 45. Při buzení spekter eektrickým výbojem charakterizuje právě rotační tepota moekuy OH tepotu neutráního pynu.[3],[4]. Při přesnějším měření ze použít opravu tepoty radikáu OH pode [1] na tepotu neutráního pynu T n =T r 1 T r 1, kde =3, (6) Stanovení vibrační tepoty z reativních intenzit hav vibračních pásů Přestavíme-i si dáe moekuu jako vibrující harmonický osciátor, bude jí přísušet jistá vibrační energie, která bude na zákadě kvantové teorie také kvantována. Vibrační spektrum moekuy vzniká anaogicky vibračními přechody mezi jednotivými energetickými hadinami, které jsou opět dány řešením Schrödingerovy rovnice: 1 E v =h e vi 2 kde (7) e je konstanta charakterizující vibrační a eektronový přechod daného pásu, v i vibrační kvantové číso (index i voen pro rozišení od vnočtu). Při hedání rovnice pro intenzitu vibračního pásu opět vycházíme ze vztahu (3) a (1). Dostaneme I =konst. A e E kt v ogaritmováním získáme opět směrnici pyrometrické přímky n I 1 = E konst. A kt v kde, jsou vibrační kvantová čísa horního a doního stavu, vnočet, k Bozmannova konstanta, T v vibrační tepota, A pravděpodobnost přechodu, konst. je shodná pro všechny pásy jedné sekvence. Vibrační tepota Tv bya určena pomocí reativní intenzity hav vibračních pásů moekuy N2 sekvence Δvi = +2 přechodu (2-0, 3-1, 4-2). Tento pás by voen proto, že se jedná o přechod do zákadního stavu a ne mezi vzbuzenými stavy. 11

12 Vibrační tepota charakterizuje excitační tepotu srovnatenou s eektronovou tepotou atomů. Za předpokadu okání termodynamické rovnováhy v neizotermickém pazmatu patí mezi tepotami reace T n T r T v T e (8) kde T n,t r,t v, T e je tepota neutráního pynu, rotační tepota, vibrační a eektronová tepota. 12

13 Kapitoa 3 Experimentání část 3.1 Experimentání uspořádání Výboj typu Gid-Arc by buzen za atmosférického taku na Cu eektrodách střídavým (50Hz) vysokým napětím (5-10kV) přes rozptyový transformátor napětí. Napětí na vstup vysokonapěťového rozptyového transformátoru byo převedeno ze sítě (220V, 50Hz) přes reguační transformátor s induktivním odděením od sítě. Napětí na eektrodách nebyo měřeno, ae z transformačních poměrů usuzuji, že výboj by udžován na střídavém napětí U = 5000V. Vzdáenost eektrod bya r = 0,95 mm. Pracovním pynem by stačený vzduch, který by do výboje vyfukovám tryskou o průměru d = 1,70mm přes aboratorní universání průtokoměr pro pyny. Spektrání anaýza jednotivých částí výboje bya prováděna optickým spektrometrem Jobin-Yvon Triax 550. Optická sonda se sestávaa se svazku optických váken, která přiváděa emitované záření na vstupní štěrbinu monochromátoru, dáe je světený svazek přiveden na difrakční mřížku. Při měření byy použity mřížky 300; 1200 a 3600 vrypů na mm. Difraktovaný optický paprsek poté dopada na výstupní štěrbinu monochromátoru a na detektor, kde bya vyhodnocena jeho intenzita. Vastní spektra bya dáe spracovávána programem Spectrum Anayzer

14 Obr.1: Schéma zapojení: 1- Cu eektrody, 2- optická sonda, 3- tryska, 4- průtokoměr, 5vzduchový venti, 6- rozptyový transformátor, 7- reguační transformátor, 8- optické vákno, 9- spektrometr, 10- počítač Všechna měření bya prováděna za stejných podmínek. Nastavi se požadovaný průtok vzduchu a sondou se snímao na třech místech výboje: jiskrové poe (JP), koronový výboj 1cm nad jiskrovým poem (KV1) a 2cm nad jiskrovým poem (KV2). Výsedná tepota bya vypočtena jako průměrná hodnota z pěti měření. Obr.2: Obasti snímání 14

15 Obr.3: Experimentání uspořádání:1- Cu eektrody, 2- tryska, 3- rozptyový transformátor, 4- reguační transformátor 5- místo pro uchycení optické sondy, 6průtokoměr, 7- vzduchový venti. 15

16 Vzhedem k tomu, že svazek optických váken by zapouzdřen v měděném obau, veškeré eektromagnetické rušení výboje byo převedeno přímo na kostru monochromátoru a pak do počítače. V důsedku toho neby počítač schopen otáčet difrakční mřížku spektrometru při zapnutém výboji. Její pooha musea být nastavena před zapnutím výboje, při snímání spektra jsme tedy byi omezeni pouze na jednu obast vnových déek. Z tohoto důvodu nebyo možné naměřit přehedové spektrum tohoto typu výboje. Všechna měření bya prováděna na experimentáním uspořádání dvojího druhu. V první řadě by experiment prováděn tzv. přímou cestou, tzn. že optická sonda snímaa výboj přímo. Aby byo zamezeno opravdu sinému rušení, nemoha být optická sonda umístěnam v bezprostřední bízkosti výboje, ae bya použita neprůhedná pastová trubka déky = 23cm a průměrem snímané obasti d = 0,65cm. Sonda bya umístěna na jejím konci (Obr.4). Obr.4: Měření přímou cestou pomocí pastové trubky. Dáe by experiment proveden také tzv. optickou cestou, kdy sonda snímaa obraz výboje, zobrazeného přes čočku. Bya použita křemenná čočka s ohniskovou vzdáeností f = 140mm; průměr čočky d = 5,2cm (Obr.5). Sonda snímaa obast o průměru d = 1mm, obraz by obrácený a zvětšený, byo tedy nutné přepočítat, do kterého místa umístit sondu, aby snímaa stejnou obast jako v metodě přímé. Jedině tak 16

17 bude možné výsedné hodnoty správně porovnat. Toto uspořádání byo voeno pro zjištění, jaký viv má rušení počítače výbojem na výsedný výpočet tepoty. Při této metodě bya sonda mnohem dá od výboje, čímž měo být docíeno co nejmenšího rušení. Obr.5: Měření přímou cestou pomocí pastové trubky. 17

18 3.2.Výpočet tepoty eektronů Tepota eektronů T e bya určována pomocí reativní intenzity atomových čar Cu o vnových dékách: λ = (510,554; 515,324; 521,820) nm na mřížce 1200vr/mm. Poté bya přidána i čára o vnové déce λ = 578,213nm, vzhedem k šířce snímané obasti bya použita mřížka 300vr/mm, která bya pro tyto účey postačující [1],[2]. Konstanty použité při výpočtu jsou uvedeny v Tab.1 [5] vnová déka (nm) Amn(s-1) Em(eV) gm 510,554 1, , ,324 1, , ,820 1, , ,213 1, , Tab1.: Použité konstanty Z násedujících Tab.2 a Tab.3 je vidět, že eektronová tepota se v závisosti na veikosti průtoku neměnia a chyby tepoty, určeny metodou nejmenších čtverců z jednotivých bodů z pyrometrické přímky, vycházey koem 10%. Započtením čtvrté čáry se tepota mírně snížia. Tepota bya měřena pouze přímou cestou, vzhedem k téměř shodným hodnotám tepoty eektronů se nepředpokádao, že by vastní rušení výbojem tuto hodnotu nějak ovivňovao. Obr.6 a Obr.7 ukazují přehed použitých čar mědi, Graf 1. představuje srovnání průběhu tepot při různých průtocích vzduchu. Pro přehednost jsou ve všech násedujících grafem uváděny pouze hodnoty tepot, bez uvedených chyb měření. 18

19 Mřížka 1200 vrypů/mm Te (K) při průtoku Te (K) při průtoku 0* /min 4,3 /min JP Te(K) při průtoku 7,2 /min Te (K) při průtoku 11,4 /min 7500 ± ± ± ± 150 Tab2.: Tepoty eektronů přímou cestou, jiskrové poe,mřížka 1200vr/mm. *Eektronová tepota bya měřena i při nuovém průtoku, tedy v oboukovém výboji. I(a.u.) λ(nm) Obr.6: Spektrum měděných čar λ = (510,554; 515,324; 521,820) nm na mřížce 1200vr/mm. Tepota je Te=(7650± 50)K. Křížky vždy označují maximum intenzity a odečtenou hodnotu pozadí. 19

20 Mřížka 300 vrypů/mm Te (K) při průtoku Te (K) při průtoku 0 /min 4,3 /min Te(K) při průtoku 7,2 /min Te(K) při průtoku 11,4 /min JP 7400 ± ± ± ± 150 Tab:3: Tepoty eektronů přímou cestou jiskrové poe, mřížka 300 vr/mm, různý průtok. I(a.u.) λ(nm) Obr.7: Spektrum měděných čar λ = (510,554; 515,324; 521,820; 578,213) nm na mřížce 300vr/mm. Tepota je Te=(7500± 100)K Prubeh tepoty eektronu mrížka 300vr/mm mrížka 1200 vr/mm Tepota (K) ,2 4,3 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 1: Tabuka 2 a tabuka 3, průběh tepoty eektronů, metoda přímá. 20

21 3.3 Výpočet rotační tepoty Rotační tepota OH radikáu Rotační tepota TrOH radikáu OH bya určována z reativní intenzity prvních šesti rotačních čar větve Q1 přechodu A2 Σ+ X2 Π [1],[2]. Jednao se o násedující rotační čáry a přísušné konstanty[5] J(Q1 ) vnová déka (nm) Em (ev) -20 fmn (Hz) 9, /2 307,844 0, /2 307,995 0, , /2 308,328 0, , /2 308,519 1, , /2 308,734 1, , Tab.4: Použité konstanty. K výpočtu byy použity všechny výše uvedené čáry. Z větve musea být vynechána čára 7/2 (λ=308,154nm). Intenzita této čáry bya skresena pod ní podbíhající rotační čarou větve P1, která při použití jak mřížky 3600vr/mm tak 1200vr/mm bya nerozišitená. V násedujících tabukách jsou shrnuty vypočtené hodnoty rotační tepoty radikáu OH za různých fyzikáních podmínek. Dáe jsou vždy uvedena spektra charakterizující dané uspořádání. Tabuky Tab.5 a Tab.6 porovnávají tepoty OH radikáu při stejné mřížce 1200vr/mm, ae při metodě přímé (pomocí trubky) a optickou cestou (pomocí zobrazení čočkou). Ani v jednom případě se nepodařio naměřit tepotu OH radikáu v jiskrovém poi, což ze vysvětit jednak maým rozišením difrakční mřížky, ae jednak také tím, že v jiskrovém poi není dostatečný počet vybuzených moeku OH. Z tabuek je dáe vidět, že s rostoucím průtokem kesá tepota moekuy. Nejépe je tento pokes vidět v obasti koronového výboje 2cm nad jiskrou, kde se předpokádá největší počet vybuzených moeku. 21

22 Násedující Obr.8 ukazuje rozdínost retativní intenzity čar při použití obou metod. Integrační doba snímání bya v obou případech stejná, při použití mřížky 1200vr/mm bya tato doba 7s. Metoda optická má reativní intenzitu mnohem větší, což byo důsedkem soustředění vyzářené intenzity pomocí čočky přesně do místa snímání. Obrázek obsahuje i vyznačené použité rotační čáry. Metoda přímá Mřížka 1200vrypů/mm TrOH (K) při TrOH (K) při TrOH (K) při průtoku 4,3 /min průtoku7,2 /min průtoku 11,4 /min KV2 950 ± ± ± 150 KV1 900 ± ± ± 100 JP Tab.5: Tepoty OH radikáu přímou cestou,mřížka 1200vr/mm. Optická cesta Mřížka 1200vrypů/mm TrOH (K) při TrOH (K) při TrOH (K) při průtoku 4,3 /min průtoku7,2 /min průtoku 11,4 /min KV2 950 ± ± ± 200 KV1 900 ± ± ± 150 JP Tab.6: Tepoty OH radikáu optickou cestou, mřížka 1200vr/mm. I (a.u.) λ(nm) Obr.8: Srovnání metody optické (fiaová) a přímé (šedá), mřížka 1200vr/mm, průtoku 7,2 /min, obast KV1. Tepoty jsou násedující: optická cesta TrOH=(950± 150)K, metoda přímo TrOH=(900± 100)K 22

23 1800 Prubeh tepoty v obasti: Koronový výboj(kv2) Koronový výboj (KV1) Tepota (K) KV2 800 KV ,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 2: Tabuka 5, průběh tepoty OH, metoda přímá, mřížka 1200vr/mm. Prubeh tepoty v obasti: Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Tepota (K) KV2 800 KV ,3 7,2 11,4 13 Prutok (/min) Graf 3: Tabuka 6, průběh tepoty OH, metoda optická, mřížka 1200vr/mm. 23

24 Násedující tabuky Tab.7 a Tab.8 porovnávají tepoty OH radikáu tentokrát při stejné mřížce 3600vr/mm. Při větším rozišení mřížky byo potřeba deší integrační dobu a to 25s, v důsedku toho byo možné spočítat tepotu OH i v jiskrovém poi. Metoda přímá Mřížka 3600vrypů/mm TrOH (K) při průtoku TrOH (K) při průtoku TrOH (K) při průtoku 4,3 /min 7,2 /min 11,4 /min KV ± ± ± 200 KV ± ± ± 200 JP 950 ± ± ± 150 Tab.7: Tepoty OH radikáu přímou cestou,mřížka 3600vr/mm. Optická cesta Mřížka 3600 vrypů/mm TrOH (K) při průtoku TrOH (K) při průtoku TrOH (K) při průtoku 4,3 /min 7,2 /min 11,4 /min KV ± ± ± 250 KV ± ± ± 250 JP 1000 ± ± ± 100 Tab.8: Tepoty OH radikáu optickou cestou, mřížka 3600vr/mm. I (a.u.) λ(nm) Obr.9: Srovnání metody optické (fiaová) a přímé (šedá), mřížka 3600vr/mm, průtoku 4,3 /min, obast KV1. Tepoty jsou násedující: optická cestatroh=(1300± 200)K, metoda přímá TrOH=(1300± 150)K. Spektra se jasně překrývají. 24

25 Tepota (K) 2500 Prubeh tepoty v obasti Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) KV1,KV JP 500 4,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 4: Tabuka 7, průběh tepoty OH, metoda přímá, mřížka 3600vr/mm. Prubeh tepoty v obasti Korornový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) Tepota (K) KV2 KV JP 500 4,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 5: Tabuka 8, průběh tepoty OH, metoda optická, mřížka 3600vr/mm. 25

26 Spektrum na Obr.10 ukazuje závisost reativní intenzity čar na veikosti průtoku vzduchu. Je zřetené, že s rostoucím průtokem se reativní intenzita zvyšuje, což ze vysvětit tím, že větším průtokem je do koronového výboje dodáváno více nabuzených moeku. Obr.11 ukazuje závisost intenzity na snímané obasti. V jiskrovém poi bya intenzita z důvodu uvedeného v přechozím vemi maá, v případě mřížky 1200vr/mm ji nebyo možné k výpočtu použít vůbec. I(a.u.) λ(nm) Obr.10: Závisost reativní intenzity na průtoku. 4,3 /min (fiaová),7,2 /min (šedá),11,4 /min (přerušovaná). Mřížka 1200vr/mm, obast KV1,optická cesta. 26

27 I(a.u.) λ(nm) Obr.11: Závisost reativní intenzity na snímané obasti. JP (šedá), KV1 (fiaová), KV2 (přerušovaná).mřížka 1200vr/mm, průtok 4,2 /min,optická cesta. Naměřená hodnota tepoty neutráního pynu se pro různou mřížku a různou metodu snímání viditeně išia. Průměrná tepota nabývaa hodnot od nejnižší T= (850±150)K po nejvyšší T=(1300±250)K. Porovnáme-i tyto dvě hodnoty i v rámci intervau jejich okamžitých chyb, je zřejmé, že průnik těchto intervaů nastává v okoí hodnoty 1000K. Uděáme-i toto srovnání pro všechna měření, můžeme konstatovat, že průměrná hodnota tepoty radikáu OH vychází K. Své maximání hodnoty dosahuje v obasti koronového výboje 2cm nad jiskrovým poem. Provedeme-i opravu rotační tepoty na tepotu neutráního pynu pode práce [1] de vztahu (6) interva průměrných tepot se neznateně zvýší a to na tepotu K. Je zřejmé, že tepota radikáu vemi přesně charakterizuje tepotu neutráního pynu. 27

28 3.3.2 Rotační tepota N2 Rotační tepota TrN bya dáe určována z reativních intenzit rotačních čar R větve vibračního pásu 0-0 moekuy N2 [1],[2]. Byy použity čáry s kvantovými čísy 25 až 45, vnové déky a použité konstanty obsahuje násedující tabuka [5] Kvantové číso Vnová déka(nm) SJ J EJ (J) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 3, , ,5 3, , ,5 2, , ,4 2, , ,4 2, , ,4 2, , ,4 2, Tab.9: Použité konstanty. Z větve musey být vynechány čáry kvantových číse 31 a 32. Intenzita těchto čar bya skresena pod ní podbíhající hranou vibračního pásu 1-1. Spektrum 0-0 pásu moekuy N2 byo snímáno pouze na mřížce 1200vr/mm. Při použití mřížky 3600vr/mm by u čar vyšších kvantových číse rozišitený tripet. Pro tato spektra musí být použity jiné intenzivní faktory a rozišení čar se sudým a ichým kvantovým čísem byo kopikovanější. Použitý program neby pro tyto výpočty 28

29 přispůsoben. Tab.10 a Tab.11 opět porovnává metodu přímou a metodu optickou na mřížce 1200vr/mm. Tepota oběma metodami se zvyšovaa od jiskrového poe po směru proudění vzduchu. Z naměřeného ovšem nejde určit, jak tato tepota souvisea z veikostí průtoku. Dáe musíme přihížet k faktu, že důsedkem rušení, či náhodných chyb ve snímaném spektru, musey být často některé rotační čáry z výpočtu odstraněny. I tato zkutečnost se moha projevit na výsedné rotační tepotě moeku N2. Metoda přímá Mřížka 1200vrypů/mm TrN (K) při průtoku 4,3 /min KV2 KV1 JP TrN (K) při průtoku 7,2 /min TrN (K) při průtoku 11,4 /min 4500 ± ± ± ± ± ± ± ± ± 300 Tab.10: Tepoty N2 přímou cestou,mřížka 1200vr/mm. Optická cesta Mřížka 1200 vrypů/mm TrN (K) při průtoku 4,3 /min KV2 KV1 JP TrN (K) při průtoku 7,2 /min TrN (K) při průtoku 11,4 /min 4800 ± ± ± ± ± ± ± ± ± 250 Tab.11: Tepoty N2 optickou cestou, mřížka 1200vr/mm. 29

30 Prubeh tepoty v obasti Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) 8000 Tepota (K) KV KV JP ,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 6: Tabuka 10, průběh tepoty N2, metoda přímá, mřížka 3600vr/mm. Prubeh tepoty v obasti Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) 8000 Tepota (K) KV2 KV1 JP ,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 7: Tabuka 11, průběh tepoty N2, metoda optická, mřížka 3600vr/mm. 30

31 Násedující Obr.12 ukazuje rozdínost reativní intenzity čar při použití obou metod při stejné mřížce. Metoda optická má reativní intenzitu mnohem větší, je to ze stejnéhu důvodu jako v případě OH radikáu. Obrázek obsahuje i vyznačené použité rotační čáry. I(a.u.) λ(nm) Obr.12: Srovnání metody optické (fiaová) a přímé (šedá), mřížka 1200vr/mm, průtok 7,2 /min, obast KV1. Tepoty jsou násedující: optická cestat=(3200± 200)K, metoda přímá T=(3800± 500)K I(a.u.) λ(nm) Obr.13: Závisost reativní intenzity na průtoku. 11,7 /min (fiaová),7,2 /min (šedá),4,3 /min (přerušovaná). Mřížka 1200vr/mm, obast KV1,optická cesta. 31

32 Obr.14 ukazuje rozdínost retativní intenzity čar na snímané obasti. Zatímco kdekoiv nad jiskrovým poem se spektra téměř překrývají, v obasti jiskrového poe se charakter pásu viditeně změni. Intenzita podbíhajícího vibračního pásu 1-1 značně vzrosta, jeikož byo snímáno spektrum eektrodových obastí. I (a.u.) λ(nm) Obr14.: Závisost reativní intenzity na snímané obasti. JP(fiaová); KV1 (přerušovaná) a KV2 (šedá) téměř spývají. Mřížka 1200vr/mm, průtok 7,2 /min,optická cesta. Rotační tepota moekuy N2 dosahovaa nejnižších hodnot v obasti jiskrového poe K a směrem od jiskry její hodnota vzrůstaa až na 4800K v obasti koronového výboje, 2cm nad jiskrou. 32

33 3.4 Výpočet vibrační tepoty Vibrační tepota Tv bya určena pomocí reativní intenzity hav vibračních pásů sekvence Δv = +2 přechodu C3Πg B3Πu moekuy N2 [1],[2]. Vnové déky a použité konstanty jsou uvedeny v násedu-jící tabuce[5] Δv Vnová déka (nm) A Ev(J) ,68 3, , ,20 7, , ,32 8, , Tab.12: Použité konstanty. Tab.13 a Tab.14, resp. Tab.15 a Tab.16 opět porovnávají tepoty metody přímé a optické při mřížce 1200vr/mm resp. 3600vr/mm. Mřížkou 3600vr/mm při přímé metodě nebyo možné v naměřeném spektru pásy vůbec identifikovat, popřípadě byy identifikovatené, ae jejich intenzitu nebyo možné použít k výpočtu. Názorná ukázka tohoto spektra je na Obr.16. Metoda přímá Mřížka 1200vrypů/mm Tv (K) při průtoku 4,3 /min KV2 KV1 JP Tv (K) při průtoku 7,2 /min Tv (K) při průtoku 11,4 /min 4200 ± ± ± ± ± ± ± ± ± 1200 Tab.13: Tepoty přímou cestou,mřížka 1200vr/mm. Optická cesta Mřížka 1200 vrypů/mm Tv (K) při průtoku 4,3 /min KV2 KV1 JP Tv (K) při průtoku 7,2 /min Tv (K) při průtoku 11,4 /min 4400 ± ± ± ± ± ± ± ± ± 900 Tab.14: Tepoty optickou cestou, mřížka 1200vr/mm. 33

34 Prubeh tepoty v obasti Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) Tepota (K) 6000 KV2 KV JP ,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 8: Tabuka 13, průběh vibrační tepoty, metoda přímá, mřížka 1200vr/mm Prubeh tepoty v obasti Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) Tepota (K) KV1 KV JP ,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 9: Tabuka 14, průběh vibrační tepoty, metoda přímá, mřížka 1200vr/mm. 34

35 Z Obr.15 je opět zřejmá větší intenzita hav vibračního pásu při použití optické cesty a to z důvodu již dříve uvedeného. I (a. u.) λ(nm) Obr.15: Srovnání metody optické (fiaová) a přímé (šedá), mřížka 1200vr/mm, průtoku 4,3 /min, obast KV1. Tepoty jsou násedující: optická cesta Tv=(4100± 150)K, metoda přímo Tv=(4600± 50)K. Černé křížky označují hodnotu maxima intenzity a odečteného pozadí. Metoda přímá Mřížka 3600vrypů/mm Tv (K) při průtoku 4,3 /min KV2 KV1 JP Tv (K) při průtoku 7,2 /min Tv (K) při průtoku 11,4 /min Nebyo možné změřit Tab.15: Tepoty přímou cestou, mřížka 3600vr/mm. Optická cesta Mřížka 3600 vrypů/mm Tv (K) při průtoku 4,3 /min KV2 KV1 JP Tv (K) při průtoku 7,2 /min Tv (K) při průtoku 11,4 /min 4500 ± ± ± ± ± ± ± ± ± 700 Tab.16: Tepoty optickou cestou, mřížka 3600.vr/mm 35

36 Prubeh tepoty v obasti Koronový výboj (KV2) Koronový výboj (KV1) Jiskrové poe (JP) Tepota (K) KV KV2 JP ,3 7,2 Prutok (/min) 11,4 13 Graf 10: Tabuka 16, průběh vibrační tepoty, metoda optická, mřížka 3600vr/mm. I (a. u.) λ(nm) Obr.16: Srovnání metody optické (fiaová) a přímé (šedá), mřížka 3600vr/mm, průtoku 7,2 /min, obast KV1. Tepoty jsou násedující: optická cesta Tv=( )K, metoda přímá je neidentifikovatená. 36

37 I (a. u.) λ(nm) Obr.17: Závisost reativní intenzity na průtoku. 4,3 /min (fiaová), 7,2 /min (šedá), 11,7 /min (přerušovaná). Mřížka 1200vr/mm, obast KV1,optická cesta. I (a. u.) λ(nm) Obr.18: Závisost reativní intenzity na snímané obasti. JP(fiaová), KV1(šedá), KV2 (přerušovaná). Mřížka 1200vr/mm, průtok 7,2 /min,optická cesta. Vibrační tepota dusíku se pohybovaa v intervau K v závisosti na průtoku a na snímané obasti. Maximání hodnoty dosahovaa v koronovém výboji 1cm nad jiskrovým poem a s rostoucím průtokem se průměrná tepota zvyšovaa. 37

38 Kapitoa 4 Závěr Cíem této bakaářské práce byo spektráními metodami určit eektronovou tepotu Te, vibrační tepotu Tv a rotační tepotu TrN přechodu Π-Π pásu 0-0 moekuy N2, dáe pak tepotu neutráního pynu Tn v kouzavém oboukovém výboji typu Gid-Arc za atmosférického taku. Za tímto účeem bya eektronová tepota Te určována z čarového spektra nabuzených atomů mědi, rotační TrN a vibrační Tv tepota moekuy N2 a rotační tepota radikáu OH TrOH, která representuje tepotu neutráního pynu. Výsedky měření ukazují, že tepota eektronů v jiskrové obasti, kde dosahuje své maximání hodnoty, se při ibovoném průtoku neměnia. Při použití mřížky 1200vr/mm se pohybovaa v obasti 7500 K; při použití mřížky 300vr/mm a započtení čtvrté čáry bya průměrná tepota o 100K nižší. Tato hodnota naměřené eektronové tepoty Te je poněkud nižší než v práci [1]. Rotační tepota radikáu OH, reprezentující s vekou přesností tepotu neutráního pynu Tn, vycházea v rozsahu tepot K v závisosti na použité difrakční mřížce. Při použití mřížky 3600vr/mm by zřetenější teoretický předpokad kesání tepoty s rostoucím průtokem vzduchu. Přepočet tepoty de vztahu (6) ukáza, že tepota radikáu OH přestavuje tepotu nižší než je tepota neutráního pynu. V pracích [1] a [2] byy naměřeny podobné hodnoty. Rotační tepota nabuzených moeku N2 dosahovaa své maximání hodnoty v koronovém výboji 2cm nad jiskrou. Tepota TrN se pohybovaa v rozmezí K v závisosti na vzdáenosti od jiskrového poe a v závisosti od průtoku vzduchu, tedy od jeho rychosti. Tato tepota koresponduje s prací [1]. Naopak vibrační tepota dusíku, v souadu s prací [1], se zvyšujícím se průtokem spíše rosta. Maxima dosahovaa vibrační tepota v obasti KV1, tedy 1cm nad jiskrovým poem a to hodnot od 4000K do 4800K. Výsedky měření při použití mřížky 3600vr/mm neze považovat za příiš důvěryhodné. Naměřené hodnoty jednotivých sožek pazmatu spniy očekávanou reaci (8) T n T r T v T e, která je obvyká u neizotermického pazmatu výbojů. 38

39 Příoha Fotografie kouzavého výboje za atmosferického taku na měděných eektrodách. Po řadě při průtoku vzduchu 4,3 /min; 7,2 /min a 11,4 /min. 39

40 Literatura [1] Tesař C., Janča J., Kapička V. : Diagnostika kouzavého výboje za vysokého taku, 12,konf. čes. a sov. fyziků, TU Ostrava(1996), přednáška, Sborník-první dí (sekce č.3), str [2] Janča J., Tesař C. : Spectra diagnostic of Gid-Arc up to 1,1MPa. XXIII-th ICPIG Tououse, France(1997), Proceeding Countr. Pap.,Vo.IV, IV [3] Gross B. : Měření vysokých tepot, Praha 1962, SNTL [4] Navráti Z. : Disertační práce: Optická diagnostika pazmatu [5] Databáze [6] GidArc Pazma [7] Gid-Arc 40