ДУГОВОЙ РАЗРЯД • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 9. Москва, 2007, стр. 394-395

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: В. Н. Колесников

ДУГОВО́Й РАЗРЯ́Д, са­мо­стоя­тель­ный ква­зи­ста­цио­нар­ный элек­трич. раз­ряд в га­зе, го­ря­щий прак­ти­че­ски при лю­бых дав­ле­ни­ях га­за, пре­вы­шаю­щих 0,01–1 Па (10^–4–10^–2 мм рт. ст.), при по­сто­ян­ной или ме­няю­щей­ся с низ­кой час­то­той (до 10³ Гц) раз­но­сти по­тен­циа­лов ме­ж­ду элек­тро­да­ми. Для Д. р. ха­рак­тер­ны вы­со­кая плот­ность то­ка на ка­то­де (10

2–10⁸ А/см²) и низ­кое ка­тод­ное па­де­ние по­тен­циа­ла, не пре­вы­шаю­щее эф­фек­тив­ный по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции сре­ды в раз­ряд­ном про­ме­жут­ке. Впер­вые Д. р. ме­ж­ду дву­мя уголь­ны­ми элек­тро­да­ми в воз­ду­хе на­блю­да­ли в 1802 В. В. Пет­ров и не­за­ви­си­мо от не­го в 1808 Г. Дэ­ви. Све­тя­щий­ся то­ко­вый ка­нал это­го раз­ря­да при го­ри­зон­таль­ном рас­по­ло­же­нии элек­тро­дов под дей­ст­ви­ем кон­век­тив­ных по­то­ков изо­гнут ду­го­об­раз­но, от­сю­да и на­зва­ния – Д. р., элек­трич. ду­га.

Для боль­шин­ст­ва Д. р. при боль­шой плот­но­сти то­ка на ка­то­де воз­ни­ка­ет ма­лое очень яр­кое пят­но, пе­ре­ме­щаю­щее­ся по всей по­верх­но­сти ка­то­да. Темп-ра в пят­не мо­жет дос­ти­гать темп-ры ки­пе­ния (или воз­гон­ки) ма­те­риа­ла ка­то­да. Зна­чит. роль в ме­ха­низ­ме под­дер­жа­ния то­ка Д. р. иг­ра­ет тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия. Над ка­тод­ным пят­ном об­ра­зу­ет­ся слой по­ло­жи­тель­но­го объ­ём­но­го за­ря­да, обес­пе­чи­ваю­ще­го ус­ко­ре­ние эми­ти­руе­мых элек­тро­нов до энер­гий, дос­та­точ­ных для удар­ной ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул га­за. По­сколь­ку этот слой очень тон­кий (мень­ше дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га элек­тро­на), он соз­да­ёт вы­со­кую на­пря­жён­ность по­ля у по­верх­но­сти ка­то­да, осо­бен­но у мик­ро­не­од­но­род­но­стей, по­это­му су­ще­ст­вен­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся и ав­то­элек­трон­ная эмис­сия, и тер­мо­ав­то­элек­трон­ная эмис­сия. Вы­со­кая плот­ность то­ка и «пе­ре­ско­ки» пят­на с точ­ки на точ­ку соз­да­ют ус­ло­вия для взрыв­ной элек­трон­ной эмис­сии.

От зо­ны ка­тод­но­го па­де­ния по­тен­циа­ла до ано­да рас­по­ло­жен т. н. по­ло­жи­тель­ный столб. На ано­де обыч­но фор­ми­ру­ет­ся яр­кое анод­ное пят­но, в ко­то­ром темп-ра по­верх­но­сти поч­ти та­кая же, как и в ка­тод­ном. В не­ко­то­рых ви­дах Д. р. при то­ках в де­сят­ки ам­пер на ка­то­де и ано­де воз­ни­ка­ют фа­ке­лы в ви­де плаз­мен­ных струй, вы­ле­таю­щих с боль­шой ско­ро­стью пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти элек­тро­дов. При то­ках 100–300 А воз­ни­ка­ют до­ба­воч­ные фа­ке­лы, об­ра­зуя пу­чок плаз­мен­ных струй. На­гре­тый до вы­со­кой темп-ры и ио­ни­зо­ван­ный газ в стол­бе пред­став­ля­ет со­бой плаз­му. Элек­тро­про­вод­ность плаз­мы мо­жет быть очень вы­со­кой, но обыч­но она на неск. по­ряд­ков ни­же элек­тро­про­вод­но­сти ме­тал­лов.

При кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных час­тиц бо­лее 10¹⁸ см^–3 со­стоя­ние плаз­мы ино­гда мож­но счи­тать близ­ким к рав­но­вес­но­му. При мень­ших плот­но­стях, вплоть до 10¹⁵ см^–3, мо­жет воз­ник­нуть со­стоя­ние ло­каль­но­го тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия (ЛТР), ко­гда в ка­ж­дой точ­ке плаз­мы все ста­ти­стич. рас­пре­де­ле­ния близ­ки к рав­но­вес­ным при од­ном зна­че­нии темп-ры, ко­то­рая раз­лич­на в раз­ных точ­ках. Ис­клю­че­ние в этом слу­чае со­став­ля­ет лишь из­лу­че­ние плаз­мы: оно да­ле­ко от рав­но­вес­но­го и оп­ре­де­ля­ет­ся со­ста­вом плаз­мы и ско­ро­стя­ми ра­ди­ац. про­цес­сов. При ог­ра­ни­чен­ных раз­ме­рах стол­ба Д. р. да­же в плот­ной плаз­ме на оси стол­ба со­стоя­ние ЛТР на­ру­ша­ет­ся за счёт ра­ди­ац. по­терь. Это вы­ра­жа­ет­ся в силь­ном от­кло­не­нии со­ста­ва плаз­мы и на­се­лён­но­стей воз­бу­ж­дён­ных уров­ней от их рав­но­вес­ных зна­че­ний. Ки­не­ти­ка плаз­мы в стол­бе Д. р. при вы­со­ких плот­но­стях оп­ре­де­ля­ет­ся в осн. про­цес­са­ми со­уда­ре­ний, а по ме­ре сни­же­ния плот­но­сти (уда­ле­ния от оси) всё боль­шую роль иг­ра­ют ра­ди­ац. про­цес­сы.

Диа­метр стол­ба Д. р. оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми ба­лан­са воз­ни­каю­щей и те­ряе­мой энер­гии. С рос­том то­ка или дав­ле­ния ме­ня­ют­ся ме­ха­низ­мы по­терь, обу­слов­лен­ные те­п­ло­про­вод­но­стью га­за, ам­би­по­ляр­ной диф­фу­зи­ей, ра­ди­ац. про­цес­са­ми и др. При та­ких сме­нах мо­жет про­ис­хо­дить са­мо­сжа­тие (кон­трак­ция) стол­ба (см. Кон­тра­ги­ро­ван­ный раз­ряд).

В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий го­ре­ния Д. р. его па­ра­мет­ры ме­ня­ют­ся в ши­ро­ких пре­де­лах. Клас­сич. при­мер Д. р. – раз­ряд по­сто­ян­но­го то­ка, сво­бод­но го­ря­щий в воз­ду­хе ме­ж­ду уголь­ны­ми элек­тро­да­ми. Его ти­пич­ные па­ра­мет­ры: ток от 1 А до со­тен ам­пер, рас­стоя­ние ме­ж­ду элек­тро­да­ми от мил­ли­мет­ров до не­сколь­ких сан­ти­мет­ров, темп-ра плаз­мы ок. 7000 К, темп-ра анод­но­го пят­на ок. 3900 К.

Д. р. при­ме­ня­ет­ся как ла­бо­ра­тор­ный ис­точ­ник све­та и в тех­ни­ке (ду­го­вые уголь­ные лам­пы). Д. р. с уголь­ным ано­дом, про­свер­лён­ным и за­пол­нен­ным ис­сле­дуе­мы­ми ве­ще­ст­ва­ми, ис­поль­зу­ет­ся в спек­траль­ном ана­ли­зе руд, ми­не­ра­лов, со­лей и т. п. Д. р. при­ме­ня­ет­ся в плаз­мо­тро­нах, ду­го­вых пе­чах для вы­плав­ки ме­тал­лов, при элек­тро­свар­ке, в разл. элек­трон­ных и ос­ве­тит. при­бо­рах. Т. н. ва­ку­ум­ная ду­га, ко­то­рая за­жи­га­ет­ся в ва­куу­ме и го­рит в парáх ме­тал­ла, ис­па­рив­ше­го­ся с ка­то­да, ис­поль­зу­ет­ся в ва­ку­ум­ных вы­со­ко­вольт­ных вы­клю­ча­те­лях.

Разряд дуговой постоянного тока — Справочник химика 21

    В книге, написанной коллективом американских авторов, после краткого изложения основ физики газового разряда (тлеющего, дугового постоянного тока, высокочастотного) дана характеристика электроду говых подогревателей (плазматронов) и приведены некоторые простейшие критерии моделирования. Далее описаны конструкции высокочастотных плазматронов и их применение, например для выращивания кристаллов, и в плазмохимической технологии, в частности для реакций разложения хлоруглеводородов. Специальная глава посвящена генерации сверхвысокочастотной плазмы, характеризующейся значительным различием между температурой (энергией) электронов и температурой тяжелых частиц, т. е. неравновесностью.  [c.5]

    Для генерации низкотемпературной плазмы наиболее широко применяют дуговые разряды на постоянном и переменном токе, а также высокочастотный разряд [1]. Относительно редко используют тлеющий разряд на постоянном токе и барьерный разряд. Менее удобными для организации технологических процессов являются способы получения плазмы с помощью импульсного разряда, ударных труб или оптических квантовых генераторов, поскольку такая плазма существует в течение короткого промежутка времени (от 10-5 до 10-1 с). [c.99]

    В угольной дуге постоянного тока возбуждаются спектры почти всех элементов, за исключением некоторых газов и неметаллов, характеризующихся высокими потенциалами возбуждения. По сравнению с измерениями эмиссии или абсорбции пламени дуговой разряд обеспечивает снижение предела обнаружения элементов примерно на порядок величины, а также существенное снижение уровня матричных эффектов. 

[c.59]

    На рис. 3.1 показана схема дуги постоянного тока. Зажженный разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности раскаленного катода. Падение напряжения на электродах обычно составляет 30—70 В и зависит от многих факторов материала электрода, силы тока через дугу, дуговогО промежутка, состава и давления атмосферы. Максимальное падение напряжения наблюдается при использовании угольных электродов введение в дуговой разряд легко ионизующихся элементов снижает напряжение. В рабочем режиме сила тока, питающего дугу, изменяется от нескольких единиц до нескольких десятков ампер в зависимости от поставленной задачи. 

[c.34]

    Дуговой разряд постоянного тока имеет падающую вольт-ам-перную характеристику (рис. 3.2), и для стабилизации дуги используют балластное сопротивление (см. рнс. 3.1). [c.34]

    Аналогичную формулу можно записать для спектральных линий ионов. Предполагается, что соединение определяемого элемента полностью диссоциировано. В действительности в дуговом разряде постоянного тока для многих элементов (титана, циркония, гафния, ниобия, тантала, ванадия, кремния, алюминия) степень атомизации может быть меньше единицы. На рис. 

[c.41]

    Метрологические характеристики дугового разряда постоянного тока [c.44]

    Стабильность условий разряда в активизированной дуге переменного тока значительно выше, чем в дуговом разряде постоянного тока, что приводит к лучшей воспроизводимости результатов анализа. Благодаря прерывистому горению дуги переменного то- [c.45]

    Оценивая информацию по пределам обнаружения элементов в ИСП-источнике, можно отметить, что при определении щелочных элементов метод намного уступает пламенным источникам атомизации и возбуждения (табл. 3.15). Пределы обнаружения для тугоплавких металлов близки к таковым в дуговом разряде постоянного тока. 

[c.74]

    В момент И происходит пробой разрядника, и высокочастотные колебания попадают на электроды и ионизируют воздушный промежуток. Возникает дуговой разряд. В силовой части схемы течет ток и напряжение на электродах падает, так как часть напряжения сети теперь гасится на реостате. Начиная с этого момента и до момента ИI дуга горит так же, как и при питании постоянным током. Активизатор не оказывает на нее влияния. [c.69]

    Соберите дугу постоянного тока. Параллельно электродам подключите вольтметр. Снимите две вольтамперные характеристики дугового разряда, изменяя по указанию преподавателя материал электродов или величину дугового промежутка. Подсчитайте, как меняется мощность дугового разряда в зависимости от тока. Для одного значения тока дуги подсчитайте, какая часть всей затраченной мощности расходуется в дуговом промежутке. [c.79]

    Особенности дугового разряда в ВДП. Плавка в ВДП проводится на постоянном токе, так как на пере-меном токе дуга вследствие усиленного охлаждения внутри холодного кристаллизатора горит неустойчиво (быстрое охлаждение дуги и ее деионизация в момент перехода тока через нуль). Лишь плавка самых тугоплавких металлов, например вольфрама и молибдена, у которых за время перерыва тока не прекращается термоэлектронная эмиссия, может быть проведена на переменном токе. Кроме того, плавка возмол(на на переменном токе повышенной частоты (500—1000 Гц и более), так как при такой частоте перерывы тока очень кратковременны. Но и в этом случае процесс на переменном токе происходит хуже и практически все ВДП работают на постоянном токе. [c.235]

    Для электрической активации используют различные формы электрического разряда (дуговой, тлеющий) с применением как постоянного, так и переменного тока (СВЧ-, импульсный режим). Каждый из методов активации имеет свои достоинства и недостатки. Например, в дуговом разряде удается реализовать высокие скорости осаждения десятки и сотни микро- [c.10]

    Температура дугового разряда существенно выше, чем температура пламени (3000—7000 °С). Таких температур вполне достаточно для эффективной атомизации и возбуждения большинства элементов (кроме наиболее трудно возбудимых неметаллов — таких, как галогены). Поэтому для большинства элементов пределы обнаружения в дуговом разряде на один-два порядка ниже, чем в пламени, и в среднем составляют 10 — 10″ % масс. Для дуги переменного тока температура несколько выше, чем для дуги постоянного тока. [c.230]

    Источники света. В качестве источников света при эмиссионном спектральном анализе используют дуговые и искровые генераторы. Дуга постоянного тока между электродами горит вследствие термоионной эмиссии с их поверхности. Дуга же переменного тока между металлическими электродами не будет гореть из-за отсутствия термоионной эмиссии, так как напряжение в цепи падает до нуля 100 раз в секунду. За время паузы электроды из-за большей теплопроводности остывают. Для поддержания горения дуги необходимо ионизировать дуговой аналитический промежуток. Это осуществляется наложением маломощного высоковольтного высокочастотного разряда на дуговой. На рис. 82 приведена принципиальная схема генератора активизированной дуги переменного тока, предложенная Свентицким, по которой созданы промышленные генераторы ДГ-1, ДГ-2, ПС-39. [c.187]

    Одновременно с увеличением плотности тока уменьшается разность потенциалов между электродами. В развившейся дуге эта разность потенциалов обычно составляет всего лишь несколько десятков вольт (для поддержания тлеющего разряда необходима разность потенциалов в несколько сотен и тысяч вольт). Большая плотность тока и низкое напряжение — основные характеристики электрической дуги постоянного тока. Дуги могут гореть как при низких, так и при высоких давлениях. Примером дуг низкого давления может служить ртутная дуга, горящая в атмосфере ртутных паров примером дуги, горящей при атмосферном давлении,— обычная угольная дуга или дуга с металлическими электродами. Применяются также дуги, горящие при давлениях, значительно превышающих атмосферное. Благодаря низкому напряжению электроны в дуговом разряде имеют сравнительно малые скорости. Поэтому в спектре дуги преобладает излучение нейтральных атомов и молекул. В связи с этим спектры, испускаемые нейтральными частицами, обычно называют дуговыми спектрами в отличие от искровых спектров, преобладающих в излучении электрических искр и испускаемых ионами. [c.353]

    Сначала находится положение объектива камеры для трех областей длин волн зеленой, синей и крайней фиолетовой. Для этого используется спектр меди, возбуждаемый в дуговом разряде постоянного тока. Соответствующая область спектра выводится в центр [c.94]

    Атомные линейчатые спектры, получаемые в дуговом разряде, значительно отличаются от спектров пламенно-эмиссионной спектрометрии, в первую очередь, из-за различия в температуре этих двух источников. В пламени атомы обычно возбуждаются только до нижних возбужденных электронных уровней, поэтому эмиссионные спектры довольно просты. В отличие от этого термическая и электрическая энергия дуги постоянного тока достаточна, чтобы вызвать возбуждение до достаточно высоких энергетических уровней тем самым становится возможным значительно большее число переходов и в дуге получается более сложный эмиссионный спектр, особенно для тяжелых элементов. Так, эмиссионный спектр железа состоит более чем из 4000 линий, а для урана число эмиссионных линий настолько велико, что спектр кажется почти непрерывным, поэтому он маскирует большинство, если не все, наиболее интенсивные линии других присутствующих элементов. [c.709]

    Исследования нацелены главным образом на снижение предела обнаружения и достижение правильности определений. Очень существенно повышение коэффициента использования атомов определяемого элемента в зоне разряда один из путей состоит в увеличении длительности пребывания атомов в этой зоне. Проводится изучение новых источников возбуждения помимо дугового и искрового разряда — главных используемых источников — применяют плазмотрон постоянного тока, высокочастотный плазмотрон. Для снижения предела обнаружения пробуют разнообразные новые приемы накладывают магнитное поле на область, где происходит возбуждение спектра вещсства, проводят сжигание пробы не в обычной воздушной атмосфере, а в атмосфере инертного газа, отрабатывают способ анализа растворов и различных жидкостей с их упариванием на торце угольного электрода. [c.68]

    Более надежными в работе показали себя дуговые испарители. В насосах с испарителями этого типа между корпусом насоса — анодом и электродом-испарителем — катодом, выполненным из активного металла, зажигается электрическая дуга постоянного тока. Хаотическое перемещение катодных пятен по поверхности геттера, наблюдающееся в дуговом разряде, обеспечивает сравнительно равномерное его испарение. Дуговые испарители, имея массивный катод из распыляемого металла, могут обеспечивать продолжительную работу насоса, а благодаря высокой плотности тока в зоне катодного пятна испарение геттера может происходить с высокой скоростью. [c.54]

    Рще лучшие результаты получены при определении элементов с низкой и средней энергией ионизации (менее 9 эВ) при воздействии на дуговой разряд однородного магнитного поля (О/уШ). В работе [225] приведены результаты исследования этого эффекта. Работа выполнена с вертикальной дугой постоянного тока силой 10 А нижний электрод с шейкой, диаметр кратера 4,4 мм, глубина 2 мм верхний электрод заточен на конус аналитический промежуток 3 мм. Напряженность магнитного поля 8, 16 и 24 кА/ м, Угольный пороиюк содержал металлы в виде оксидов магния — 0,00003% алюминия, железа, индия, марганца, хрома, олова, сурьмы, свинца, ванадия— 0,001% цинка—0,01%. При наложении ОМП любой напряженности возрастает эффект прикатодного усиления атомных и особенно ионных линий. Так, при наложении ОМП оптимальной напряженности (8 кА/м) атомные линии Мп 279,4 нм М 285,2 нм Сг 301,7 нм и Ре 302,0 нм усиливаются у катода соответственно в 2,5 3,4 4,2 и 3,2 раза, а ионные линии Мп 294,9 нм Mg 279,6 нм Сг 283,5 нм и Ре 259,8 нм — соответственно в 5,7 4,1 5,3 и 5,2 раза. При наложении ОМП усиление линий начинается уже вблизи анода и достигает максимума в прикатодном участке. Авторы объясняют такое усиление линий эффектом магнитодинамического сжатия плазмы у катода ( пинч-эффект ), благодаря чему происходит увеличение количества частиц элементов в плазме вдоль всего разрядного промежутка по направлению от аиода к катоду. [c.122]

    В искровом разряде можно легко определять трудновозбудимые элементы серу, фосфор, галогены и др. Однако чувствительность анализа при этом невысока из-за слабого испарения пробы. При использовании дуги проба энергично испаряется, но температуры разряда недостаточно для возбуждения трудновозбудимых элементов. Для использования преимуществ обоих источников [219] создан комбинированный источник света, в котором на стационарный дуговой разряд постоянного тока накладывается мощный импульсный разряд. При этом дуга обеспечивает энергичное испарение пробы, а импульсный разряд — возбуждение атомов. Согласно работе [220], на дугу постоянного тока, питаемую от ртутного выпрямителя, накладывают искровой разряд от генератора ИГ-2. [c.64]

    В результате исследования распределения температуры по сечению дугового разряда постоянного тока в воздухе и аргоне установлено, что абсолютные значения температуры во втором случае выше. Температура газа по сечению разряда в воздухе изменяется незначительно от 6100 °К в центре до 5300 °К на расстоянии 2 мм от него, в то время как в атмосфере аргона наблюдаются две зоны с различными значениями температуры (в центральной части 8000—9000 °К, на периферии 5000—6000 °К), между которыми происходит резкий спад температуры [344]. [c.135]

    Петракиев и др. [43] при исследовании двухступенчатого процесса с возбуждением поперечным искровым разрядом использовали метод, разработанный Вукановичем и др. [44] для дугового разряда, возбуждаемого постоянным током. Эти авторы наблюдали увеличение интенсивности спектральных линий и рост отношения интенсивности спектральных линий к фону, как правило, не менее чем в два раза в тех случаях, когда разряд происходил в неоднородном магнитном поле с магнитной индукцией в несколько сотен гауссов. [c.103]

    Все это способствует концентрированию атомов примесей в разряде и в конечном счете приводит к увеличению интенсивности их спектральных линий [52, 55—58]. Вайнштейн и Беляев [54] исследовали с помощью радиоактивных изотопов пространственное распределение паров различных элементов в столбе разряда дуги постоянного тока. Благоприятное действие носителя на интенсивность спектральных линий примесей по их данным вызвано тем, что для веществ, применяемых в качестве носителей, характерно симметричное куполообразное распределение атомов в столбе разряда с резким максимумом в центре столба дуги. Такое распределение носителя приводит к принудительному сосредоточению примесей в центральной области дуги и к уменьшению уноса примесей из зоны возбуждения. Изменение формы облака вещества в дуговом промежутке, как показали Райхбаум и Малых [53], связано с уменьше- [c.41]

    Цирконий. Перед анализом цирконий переводят в двуокись. При определении десятых и сотых долей процента магния и других примесей [17, 61] для устранения влияния спектра циркония применяют метод фракционной дистилляции в дуге постоянного тока (/ =10 а). Для повышения чувствительности метода и стабильности дугового разряда применяют носитель GaaOg. Чувствительность метода 10 %, средняя квадратическая ошибка +20%. По другому методу [368] цирконий после перевода в двуокись смешивают с носителем Ag l и осуществляют фракционное испарение примесей в дуговой разряд авторы предложили также два метода определепия магния после удаления циркония в виде Zr l4 и с миндальной кислотой. Чувствительность этих методов 10 %, 5-10 %, 2-10 % соответственно, относительная ошибка 20%. Об определении магния в цирконии см. также в [128, 198, 285, 305]. [c.174]

    Дуговой разряд постоянного тока. Дуга постоянного тока представляет собой, стационарный газовый разряд, в котором прохождение тока обусловливается электронами и ионами. Для спектрально-аналитических целей преимущественно используют дугу низкого напряжения между угольными (графитовыми) электродами (ток 5—15 А, питающее напряжение 220 В, ток ограничивают балластным сопротивлением). Температура дугового разряда зависит от подводимой электрической мощности и от природы газа в межэлектродном промежутке. В смесях эта температура определяется наиболее легко ионизируемым элементом (например, для дуги с чисто угольными электродами Т 7700 К при потенциале ионизации 1 = 11,3 эВ, а для дуги между цезиевыми электродами Т 2900 К при , = 3,9 эВ). Вводя легко ионизирующиеся элементы в плазму дуги, можно регулировать ее температу- [c.187]

    В качестве источника возбуждения при анализе металлов используют преимущественно искру, а при анализе иеэлектропроводных материалов — дуговой разряд постоянного тока. Часто в начальный момент горения дуги из графитового электрода улетучивается особенно большое количество вещества. Поэтому для обеспечения высокой чувствительности следует регистрировать начальный момент. Воспроизводимые условия возбуждения связаны с установлением равновесия испарения, о достижении которого можно судить по постоянству интенсивности наблюдаемых линий во времени. Установление такого равновесия (время обжига или обыскривания) следует определять в предварительном опыте. В количественном анализе спектр регистрируют сразу же после проведения этой предварительной операции. Как правило, время экспонирования фотопластинки не должно превышать 30 с в этом случае получаются достаточно хорошие результаты. Для проведения оптического спектрального анализа требуется очень небольшое количество вещества. Поэтому имеется возможность угокальиого анализа отдельных участков пробы. Используя особые условия проведения разряда и особые приемы подготовки, на металлах можно анализировать участки поверхности диаметром 0,5 мм и меньше [13, 14]. [c.194]

    Дуга переменного тока занимает промежуточное положение между дуговым разрядом постоянного тока и искрой по основным параметрам. Механизм поступления пробы в столб дуги различен в зависимости от полярности электрода. При отрицательном заряде имеет место эрозионный механизм (микроучастки поверхности под воздействием разряда мгновенно расплавляются, и пары металла в виде микроструй выбрасываются в межэлект-родный промежуток). При положительной полярности преобладает термический механизм. [c.47]

    По метрологическим характеристикам активизированная дугаг переменного тока отличается от дугового разряда постоянного тока пределы обнаружения выше. Воспроизводимость результатов анализа, как уже отмечалось, благодаря более стабильному разряду более высокая. [c.48]

    Оригинальная конструкция была создана Биркелаядом и Эйде (рис. 0-7). Два горизонтальных электрода входят в пространство в форме тонкого диска, образованного огнеупорными плитами, прорезанными каяалами, через которые воздух поступает из двух кольцеобразных камер к электродам. Мощный электромагнит постоянного тока создает в зазоре между электродами магнитное поле, закручивающее дуговой разряд и превращающее его в диск, заполняющий пространство между плитами ( электрическое солнце ). Дуга питается переменным током при напряжении 2 000—3 000 в. Мощность печи достигала 3 500 кет. [c.14]

    Плазменное О. проводят в кислородсодержащей низкотемпературной плазме, образуемой с помощью разрядов постоянного тока, ВЧ и СВЧ разрядов. Таким способом получают оксидные слои на пов-сти кремния, полупроводниковых соед. типа А В при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных схем, при создании туннельных переходов на основе пленок Nb и Pb в крио-электронных интегральных схемах, а также для повышения светочувствительности серебряно-цезиевых фотокатодов. Разновидность плазменного О.-ионно-плазменное О., проводимое в высокотемпературной кислородсодержащей плазме СВЧ или дугового разряда в вакууме (ок. 1 Па) и т-ре обрабатываемой пов-сти не выше 430 °С. При таком способе о. ионы плазмы достигают пов-сти изделия с энергиями, достаточньп для их проникновения в поверхностный слой и частичного его распыления. Качество оксидных пленок, полученных этим методом, сравнимо с качеством пленок, выращенных при термическом О., а по нек-рым параметрам превосходит их. [c.352]

    При анализе твердых в-в наиб, часто применяют дуговые (постоянного и переменного тока) и искровые разряды, питаемые от специально сконструир. стабилизир. генераторов (часто с электронным/управлением). Созданы также универсальные генераторы, с помощью к-рых получают разряды разных типов с переменными параметрами, влияющими на эффективность процессов возбуждения исследуемых образцов. Твердая электропроводящая проба непосредственно может служить электродом дуги или искры не проводящие ток твердые пробы и порошки помещают в углубления угольных электродов той или иной конфигурации. В этом случае осуществляют как полное испарение (распыление) анализируемого в-ва, так и фракционное испарение последнего и возбуждение компонентов пробы в соответствии с их физ. и хим. св-вами, что позволяет повысить чувствительность и точность анализа. Для усиления эффекта фракционирования испарения широко применяют добавки к анализируемому в-ву реагентов, способствующих образованию в условиях высокотемпературной [(5 — 7) 10 К] угольной дуги легколетучих соед. (фторидов, хлоридов, сульфидов и др.) определяемых элементов. Для анализа геол. проб в виде порошков широко применяют способ просыпки или вдувания проб в зону разряда угольной дуги. [c.392]

    Описан эффект прикатодного усиления интенсивности спектральных линий элементов с низкими потенциалами ионизации [944]. Использование прикатодной области плазмы дуги постоянного тока позволяет значительно снизить предел обнаружения натрия. Так, при определении натрия в материалах на основе урана (пробу помещали в анод) он равен 5 10 % [590]. Такой же метод используют при анализе фосфатов [591]. Дуговой разряд стабилизируют с помощью КОН [43] или К2СО3 [132]. В последней работе имеются сведения о влиянии количества К2СО3 на интенсивность линий натрия. Изучено влияние хлоридов, фторидов и иодидов на определение натрия в AI2O3 [1189]. [c.98]

    При плазменном анодировании основные электроды газоразрядного промежутка (катод и анод) служат только для поддержания разряда. Диэлектрическую подложку с окисляемой пленкой погружают в кислородную плазму и подают смещение, независимое от основного разряда. Для протекания постоянного тока в цепи анодиру—емой пленки применяют контрэлектрод, погруженный в плазму. Возможно использование любого разряда низкого давления тлеющего, дугового, высокочастотного и сверхвысокочастотного. Важно, чтобы разряд мог образовывать плазму с необходимыми параметрами в больщих объемах и не вызывал распыления электродов, так как продукты распыления будут загрязнять растущий окисел и станут источниками дефектов. Дуговой разряд отвечает этим требованиям, однако он малопригоден для промышленного использования из-за быстрого разрушения термокатода в активной кислородной среде. Применение безэлектродных ВЧ и СВЧ разрядов позволяет полностью исключить распыление основных электродов, но остается возможным распыление контрэлектрода и диэлектрических стенок вакуумной камеры. [c.155]

    Дуговые плазмотроны. Многие ограничения дуговых разрядов устраняются в дуговом плазмотроне, где возбуокдение спектров атомов и ионов элементов анализируемой пробы осуществляется в плазменной струе, являющейся вытяжкой плазмы электрической дути постоянного тока (рис. 14.11). В англоязычной литературе [c.367]

    При измерении интенсивности излучения тлеющего разряда в области 3064 А, соответствующей гидроксилу, можно определить до 5 млн» воды. Метод эмиссионной спектрометрии с дуговым разрядом постоянного тока позволяет определить 1—20% воды в горных породах и минералах с воспроизводимостью 8% (отн.) [73], Мелкоразмолотую пробу в смеси с измельченным кварцем помещают внутрь специального графитового электрода, обеспечивающего необходимую скорость выделения воды для измерений на длине волны 3063,6 A. Остаточное количество влаги в воздухе, заполняющем аппаратуру для вакуумной сушки, можно оценить по величине потенциала тлеющего разряда. Хинцпетер и Мейер [42 ] изучили зависимость интенсивности тлеющих разрядов в воздухе от остаточного содержания влаги. В работе использовались электроды с регулируемой установкой. Потенциал составлял не более 450 В. Потенциал зажигания нормального тлеющего разряда изменяется весьма значительно (в пределах 60 В) при изменении относительной влажности от О до 2% и почти не зависит от общего давления в системе в пределах от 10 до 90 мм рт. ст. Определению мешают пары веществ, имеющих большой дипольный момент, например аммиак и спирт. Напротив, вещества с нулевым дипольным моментом, такие как диоксид углерода или четыреххлористый углерод, не влияют на результаты. Для непрерывного определения содержания воды в бумаге применялся коронный разряд [48]. [c.508]

    Исследование свойств фотоэмульсии в зависимости от длительности непрерывного освещения. Необходимо построить изоопаку для спектральных пластинок типа Н или П1, откладывая по оси ординат значения Н, а по оси абсцисс — логарифмы времени освещения lg t, а также построить зависимость коэффициента контрастности у от времени экспозиции t. В этих опытах следует использовать непрерывное освещение (дуговой разряд постоянного тока). Следует выполнить следующие операции. [c.212]

    Было найдено, что в дуговом разряде постоянного тока существует высокий температурный градиент, поэтому резонно ожидать, что должно происходить большое самопо-глощение. Атомы в центре разряда, находящиеся при более высокой температуре, испускают излучение, которое поглощается атомами, находящимися в периферийной области разряда. Кроме того, может наблюдаться уширение спектральной линии под действием высоких температур и электрических полей в центральной части дуги постоянного тока, в результате чего излучению, испускаемому атомами [c.711]

    Эффективным средством повышения чувствительности определения ряда элементов может служить воздействие на дуговой разряд магнитного поля. В работе [224] для этой цели использованы кольцевые постоянные ферромагниты с наружным диаметром 40 мм и с внутренним диаметром 12 мм. Электроды помещены в отверстия магнитов. Расстояние между магнитами изменяли от 3 до 43 мм. Лучшие результаты получены при расстоянии 23 мм между одноименными полюсами. Анализировали сухой остаток на торце электрода после испарения раствора. Спектры возбугкдали в дуге постоянного тока силой 5—10 А при экспозиции 15 с. Использованы следующие аналитические линии (в нм) Мп II 257,61 и I 279,83 В I 249,68 Ре I 259,95 З I 288,1 А1 I 309,27 № I 305,08 Сг II 283,56 М I 285,21 Са II 396,85. Установлено, что при наложении неоднородного магнитного поля на дугу чувствительность анализа заметно повышается. [c.122]

---

3. Тлеющий разряд постоянного тока. Особенности

3. Тлеющий разряд постоянного тока. Особенности катодных областей тлеющего разряда

Для тлеющего разряда постоянного тока характерно наличие двух резко различающихся участков: небольшой по протяжённости катодной области, в которой имеется большое падение потенциала, и положительного столба, представляющего собой собственно плазму. На рис. 1 показаны основные области тлеющего разряда и распределение потенциала по длине разрядного промежутка.

Рис. 1. Структура и распределение потенциала в тлеющем разряде: 1 — астоново тёмное пространство; 2 — катодное свечение; 3 — круксово тёмное пространство; 4 - тлеющее свечение; 5 — фарадеево тёмное пространство; 6 — положительный столб; 7 — анодное тёмное пространство; 8 — анодное свечение

Электроны, покидающие катод под действием бомбардировки положительными ионами, имеют малые начальные энергии. Поэтому в непосредственной близости от катода процессы возбуждения и ионизации малоэффективны, результатом этого является темная область малой толщины (1). По мере движения в поле катодного падения потенциала энергия электронов увеличивается и там, где она становится достаточной для возбуждения молекул газа, возникает катодное свечение (2). На некотором расстоянии от катода (в пределах тлеющего свечения) энергия электронов оказывается достаточной для ионизации атомов, потенциал ионизации которых обычно превышает потенциал ионизации молекул. Однако с ростом вероятности ионизации увеличение энергии приводит и к уменьшению вероятности возбуждения, поэтому после катодного свечения наблюдается сравнительно тёмное круксово пространство (3). Внешняя граница этого круксова пространства примерно совпадает с границей катодного падения потенциала. Кривая распределения потенциала имеет в этой области максимум, а напряжённость поля падает до нуля.

Поскольку в катодной области имеется объёмный заряд, при ее описании необходимо исходить из уравнения Пуассона:

(1)

Сложный характер изменения напряжённости электрического поля по длине катодной области затрудняет решение уравнения Пуассона, поэтому в простейшем случае применяется линейная аппроксимация зависимости . В последнем случае напряжённость поля на катоде  можно выразить через величину катодного падения потенциала  (— ширина участка катодного падения потенциала), а . Уравнение Пуассона принимает вид

(2)

или

(3)

где  — плотность тока ионов на катод и  - плотность тока электронов с катода. Учитывая, что электроны выбиваются из катода под действием ударов положительных ионов, можно записать , при этом с учетом  и  уравнение (3) может быть приведено к виду

(4)

Чтобы исключить величину , воспользуемся тем, что в катодной области выполняется условие . Подстановка этого выражения в (4) позволяет получить зависимость  от , которая представлена на рис. 2,а. Константы  и , входящие в масштабы вертикальной и горизонтальной осей, зависят от рода газа, материала катода и выражаются следующими формулами:

(5)

(6)

где  и  — коэффициенты уравнения Таунсенда, а  - давление газа.

a)	б)

Рис. 2. Вид теоретической (а) и реальной (б) ВАХ катодной области тлеющего разряда постоянного тока

Переход от зависимости  к реальной вольт-амперной характеристике катодной области путём умножения плотности тока на площадь катода возможен лишь для правой части кривой рис. 2а, которая соответствует режиму полного покрытия катода свечением. При некотором значении тока на катоде устанавливается плотность тока  и катодное падение потенциала снижается до минимальной величины . Дальнейшее уменьшение катодного тока ведёт не к уменьшению плотности тока, а к уменьшению площади катода, покрытой свечением, при этом плотность тока и катодное падение потенциала остаются неизменными. Действительная ВАХ показана на рис. 2, б. Участок «аb» характеристики соответствует нормальному тлеющему разряду, а участок «bс» — аномальному. Для нормального тлеющего разряда характерны постоянные по величине плотность тока на катод и нормальное катодное падение потенциала. Величина  зависит от рода газа и материала электрода. Для каждой комбинации газ — материал катода существуют также определённые значения  и , которые в области нормального тлеющего разряда постоянны. В аномальном разряде закономерности сложнее и выводы теории хуже совпадают с экспериментом. Поэтому обычно пользуются эмпирическими формулами вида

(7)

(8)

где  — эмпирические постоянные, зависящие от рода газа и материала катода.

Начиная с правой границы области (3), резко изменяется характер движения электронов и ионов. Если на участке катодного падения потенциала заряженные частицы двигаются в сильном электрическом поле в осевом направлении, то в области сильно ионизированного газа и практически отсутствующего электрического поля движение их преимущественно хаотическое. На беспорядочное движение накладывается направленное диффузионное движение электронов и ионов, что приводит к возникновению небольшого участка тормозящего электрического поля в области тлеющего свечения (4) и фарадеева тёмного пространства (5). Частые потери энергии на ионизацию и отсутствие ускоряющего поля приводят к уменьшению средней энергии электронного газа. На внешней границе круксова пространства ионизации почти нет, однако энергия электронов ещё достаточна для возбуждения молекул газа, поэтому визуально наблюдается область тлеющего свечения. Характер свечения в этой области по мере удаления от катода становится всё более длинноволновым и постепенно свечение исчезает. Происходит переход к области фарадеева тёмного пространства, где энергия электронов столь мала, что большинство из них соударяется с атомами упруго, а возбуждения и ионизации почти нет. В процессе диффузионного движения часть электронов и ионов рекомбинирует на стенке. В связи с этим в фарадеевом тёмном пространстве концентрация зарядов в направлении анода уменьшается, что вызывает появление продольного градиента потенциала. Продольный градиент потенциала сообщает электронам дополнительную скорость, что приводит к появлению ионизации, компенсирующей гибель зарядов на стенке.

За областью Фарадеева тёмного пространства образуется остов или положительный столб разряда, простирающийся до анода — это область однородной стационарной неравновесной плазмы (6). Основным условием существования стационарной плазмы является поддержание постоянной во времени концентрации частиц. Баланс числа заряженных частиц определяется балансом энергии, которая поступает в плазму от электрического поля. Часть этой энергии расходуется на ионизацию атомов или молекул газа, которая компенсирует гибель заряженных частиц на стенках, а величина напряжённости поля в положительном столбе устанавливается такой, чтобы обеспечивалось поддержание баланса процессов ионизации и рекомбинации. Положительный столб в осевом направлении может быть однородным или слоистым. Слоистый столб представляет собой ряд светящихся областей (страт), бегущих или неподвижных, которые разделены тёмными промежутками.

Характерный для положительного столба разряда баланс заряженных частиц нарушается около анода. В прианодной области уход положительных ионов по направлению к катоду не компенсируется приходом их и со стороны анода возникает объёмный отрицательный заряд, соответствующий анодному падению потенциала (области 7 и 8).

В настоящее время тлеющий разряд постоянного тока не находит широкого технологического применения в производстве изделий электронной техники. Областями его использования являются процессы напыления металлических пленок (в диодных и  триодных системах), а также некоторые специальные (спектроскопические, аналитические) приложения, где он служит инструментом атомизации твердых веществ. В связи с тем, что теория тлеющего разряда постоянного тока хорошо разработана, он является удобным модельным объектом для исследования кинетики и механизмов плазмохимических процессов.

Дуговой разряд постоянного тока — Студопедия

Участие в использовании метода нахождения анализируемого вещества в источнике света при проведении химического анализа.

Дуговой разряд постоянного тока

Дуговой разряд — самостоятельный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях, превышающих 10^-2-10^-4 мм. рт. ст., при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103Гц) разности потенциалов между электродами и отличающийся высокой плотностью тока на катоде и низким катодным падением потенциала. При дуговом разряде ток на катоде стянут в малое очень яркое катодное пятно, беспорядочно перемещающееся по всей поверхности катода.

Температура поверхности в пятне достигает величины температуры кипения(или возгонки) материала катода. Поэтому значительную (иногда главную) роль в катодном механизме переноса тока играет термоэлектронная эмиссия.

Над катодным пятном образуется слой положительного объѐмного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул среды.

Нагретый до высокой температуры и ионизованный газ в столбе находится в состоянии плазмы. Выделяющаяся джоулева теплота восполняет все потери энергии из столба плазмы, поддерживая неизменным её состояние.

Для спектрально-аналитических целей преимущественно используют дугу низкого напряжения между угольными (графитовыми) электродами (ток– 5-15 А, питающее напряжение – 220 В, ток ограничивают балластным сопротивлением RБ).

В методах спектрального анализа электрический разряд постоянного тока является одним из первых источников света. Он не утратил своего значения в настоящее время и широко применяется для качественного и количественного анализа порошкообразных материалов – руд, минералов, особо чистых веществ и др.

В дуге постоянного тока возбуждаются практически все элементы, за исключением трудновозбудимых, например, инертных газов.

Рисунок 1 – Схема дуги постоянного тока

На рисунке 1 показана схема дуги постоянного тока. Зажженный разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности раскаленного катода. Падение напряжения на электродах обычно составляет 30–70 В и зависит от многих факторов: материала электрода, силы тока через дугу, дугового промежутка, состава и давления атмосферы. Максимальное падение напряжения наблюдается при использовании угольных электродов; введение в дуговой разряд легко ионизующихся элементов снижает напряжение. В рабочем режиме сила тока, питающего дугу, изменяется от нескольких единиц до нескольких десятков ампер в зависимости от поставленной задачи.

При использовании дуги постоянного тока навеску пробы помещают в канал электрода из угля или графита, испарение вещества происходит за счет теплообмена между материалом электрода и веществом. Температура электрода зависит от многих факторов: теплопроводности материала, его конфигурации, электрических параметров дугового разряда и определяется общим балансом мощности для электрода.

Максимальная температура дуги между угольными электродами – около 7000 °К, между железными или медными – 5500 °К.

Как уже отмечалось, основным механизмом испарения пробы из канала электрода является термическое парообразование вещества в результате передачи тепла от стенок электрода к пробе. Кинетика парообразования элементов определяется температурой электрода, теплофизическими свойствами пробы. Испарение носит фракционный характер. Так как температура анода выше температуры катода, то испарение пробы чаще всего ведут из канала анода.

Детальное изучение фракционного испарения из канала электрода позволило составить так называемые ряды летучести для элементов, находящихся в различных химических формах. Эти сведения очень важны при анализе проб сложного состава и использовании дуги в качестве источника света.

Твердые пробы вводят в канал нижнего электрода, которым чаще всего является стержень из спектрально чистого графита. При подсоединении нижнего электрода к положительному полюсу источника тока на его конце получают особо высокую температуру, достаточную для испарения даже труднолетучих соединений. Ввиду хорошего испарения исследуемых веществ в дуге постоянного тока достигается чрезвычайно высокая чувствительность определения (что особенно ценно при анализе следов) при более или менее хорошей воспроизводимости результатов измерений. Жидкие пробы в плазму дуги вводят в виде аэрозоля. Стабилизированные дуговые разряды можно использовать для количественного определения трудновозбуждаемых элементов так же хорошо, как газовое пламя для определения легковозбуждаемых элементов.

 

Дуга постоянного тока является нестабильным источником света. Для ее стабилизации и достижения лучших метрологических характеристик используются разные приемы:

Внесение спектроскопических буферов и добавок, позволяющих изменять температуру и скорость испарения отдельных компонентов пробы.

Стабилизация путем обдува инертным газом, применения магнитного поля и др.

Наиболее эффективно применение дуги постоянного тока при определении малых количеств тугоплавких соединений.

Для ряда элементов абсолютные пределы обнаружения равны 10-7–10-9 г., однако погрешность определения при этом может достигать 20 – 30%.

Глава 3. Источники света / Глава 3.3 Схемы питания газовых разрядов / Глава 3.3.1. Схема дуги постоянного тока

Электрическая схема представлена на рис. 18. Последовательно с дуговым промежутком включен реостат и амперметр. Реостат служит балластным сопротивлением, стабилизирующем горение дугового разряда. Он позволяет регулировать ток дуги.

Рис. 18. Схема питания дуги постоянного тока

Удобно использовать два реостата, каждый сопротивлением около 40 Ом, рассчитанные на ток 5…6 А. При небольшом токе дуги реостаты включают последовательно, при большом — до 10… 12 А — параллельно.

По амперметру устанавливают нужное значение тока и контролируют его стабильность в ходе анализа. Все изменения в работе схемы, как связанные с непостоянством напряжения источника питания, так и с нарушением режима самого разряда, компенсируют, устанавливая всегда реостатом один и тот же ток дуги. Удобно включать параллельно электродам вольтметр, который даст возможность сразу обнаруживать изменения в режиме самого разряда при неизменном токе дуги.

Напряжение источника тока должно в 3-4 раза превышать падение напряжения на электродах для обеспечения стабильной работы дуги. Поэтому обычно пользуются источниками постоянного тока с напряжением не менее 150 В (наиболее подходящее напряжение 200…250 В).

Электрическое питание в большинстве случаев осуществляется переменным током. Для его выпрямления используют любые выпрямители: селеновые, ртутные или мотор-генераторы постоянного тока, лишь бы они имели нужное выходное напряжение и мощность больше 1 кВт. Можно, например, рекомендовать ртутный выпрямитель типа 2ВН-20 (выпрямленный ток до 20 А при напряжении до 250 В). Желательно после выпрямления включать фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, хотя его применение необходимо далеко не всегда.

Поджиг дуги постоянного тока осуществляют кратковременным замыканием электродов чистым графитовым стержнем. Второй конец стержня, который держат в руке, должен иметь изоляцию. Поджиг дуги путем соприкосновения электродов между собой обычно не делают, так как при этом трудно установить точные размеры дугового промежутка. Очень удобно поджигать дугу, осуществляя кратковременный пробой промежутка высоким напряжением с помощью специального маломощного генератора-активизатора.

Токовая петля / Схема обнаружения дугового разряда

Токовая петля / Схема обнаружения дугового разряда

УП-18

Обратная связь по току / Токовая петля
Способ обнаружения дугового разряда источниками питания Spellman никак не связан с обратной связью по току и управляющей токовой петлей.
Перегрузка по току – это длительное состояние отказа в цепи с низким сопротивлением, которое может сохраняться в течение продолжительного периода времени. Источники питания обнаруживают его за счет обратной связи по току и переключаются из режима постоянного напряжения в режим постоянного тока для приведения непрерывного постоянного тока к уровню, заданному токовым входящим управляющим сигналом. Константы времени, связанные с цепью обратной связи по току и усилителю ошибок по силе тока, обычно равны нескольким миллисекундам или десяткам миллисекунд, поэтому мы не используем обратную связь по току для обнаружения дугового разряда. Обратная связь по току используется только для регулирования долговременного постоянного тока в соответствии с токовой петлей.

Характеристики дуговых разрядов
Дуговые разряды характеризуются очень низким сопротивлением, которое может возникнуть очень быстро и существовать всего лишь несколько микросекунд, десятков или сотен микросекунд. При возникновении такой ситуации, если рассматривать ее в отношении источника питания, то в принципе происходит ёмкостный разряд. У нас есть заряженный конденсатор (собственная емкость умножителя источника питания), к выходу которого подключен элемент с очень низким сопротивлением. Единственным фактором, ограничивающим силу тока, при этом будет внутренняя последовательная ограничительная схема (обычно состоящая из резисторов и (или) индукторов). При отсутствии каких-либо технических мер по ее ограничению, сила тока дугового разряда была бы бесконечно велика, но внутренние ограничивающие резисторы в наших устройствах удерживают силу тока на уровне безопасного разряда. Высоковольтный источник питания, номинальная сила тока которого исчисляется миллиамперами, в момент дугового разряда может выдавать амперы или даже десятки ампер. Это НЕ обычный номинальный ток, а ток накопленного дугового разряда, и разница между этими явлениями очень велика.

Токочувствительный трансформатор
Из-за коротких промежутков времени и большой силы тока, возникающей в момент дугового разряда, Spellman использует другое средство для обнаружения дуговых разрядов — токочувствительный трансформатор. Токочувствительный трансформатор подключается к выходу схемы умножителя. Он не обнаруживает обычный постоянный ток малой силы, являющийся номинальным для источника питания, но обнаруживает дуговой разряд, сила тока которого очень велика, а продолжительность измеряется микросекундами. Таким образом мы обнаруживаем дуговой разряд.

Процесс гашения дугового разряда
Процесс гашения дугового разряда необходим, потому что любая накопленная в умножителе энергия излучается в виде тепла в блоке выходных ограничителей. Отдельные дуговые разряды не приводят к повреждению источника питания, однако повторяющиеся продолжительные дуговые разряды могут привести к перегреву схемы выходных ограничителей. После некоторого количества дуговых разрядов в течение определенного времени произойдет повреждение источника питания вследствие перегрева. Процесс гашения дугового разряда в наших устройствах предотвращает какие-либо повреждения. Изменить характер явления, которое мы называем дуговым разрядом, невозможно; Spellman определяет уровень чувствительности, достаточный для защиты источника питания, который в то же время не мешает нормальной эксплуатации устройства.

Для чего не предназначена схема защиты от дугового разряда
Процесс обнаружения и прерывания дугового разряда в устройствах Spellman служит для защиты источника питания от чрезмерного долговременного воздействия дуговых разрядов; он не предназначен для высокоточной работы и непрерывной регулировки схемы пользователем. Если заказчику требуется высокоточное регулируемое обнаружение дуговых разрядов, Spellman рекомендует реализовать его самостоятельно при помощи внешнего токочувствительного трансформатора. Таким образом будет сохранена необходимая источнику питания защита от дуговых разрядов, а заказчик получит возможность настроить внешний трансформатор для обнаружения дугового разряда в соответствии со своими потребностями.

Дуговой разряд. Гашение электрической дуги — Electric-Zone

Электрическая дуга (дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

Дуга появляется вследствие пробоя при увеличении напряжения между двумя электродами (это могут быть контакты выключателя, провода и др.)  до определённого значения.
Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами, среды в которой он происходит, изоляции и пр. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

При пробое в воздухе электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточно высокой мощности источника напряжения, в воздушном промежутке образуется плазма. Плазма является хорошим проводником, поэтому сопротивление воздушного промежутка резко падает, при этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — являющийся плазменным тоннелем. Эта дуговой разряд является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000–50000 K.

После поджига, дуга может сохраняться даже при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок  неизбежно появление электрической дуги. Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии и к многим другим негативным последствиям, вследствие чего появляется потребность в применении различных дугогасящих устройств.

Рис 1. Дуговой разряд между контактами разъединителя.

Задача дугогасительных устройств (ДУ) состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем пере­напряжений при малом износе  частей аппарата, при минимальном объ­еме выбрасываемых раскаленных газов, с минимальными звуковыми и световыми эффектами.

Для эффективного гашения электрической дуги либо повышают скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка с помощью дугогасительных устройств, повышая  давление в пространстве горения дуги, используя инертный газ, вакуум, либо понижают скорость восстановления напряжения на контактах, применея шунтирующие  резисторы  и  увеличивая  количества разрывов  на полюс.

В коммутационных аппаратах низкого напряжения (ниже 1000 В) и высокого напряжения до 6 кВ на большие токи применяют дугогаси­тельные устройства, в которых используются практически все спосо­бы гашения дуги постоянного тока.

Кроме того, в таких дугогасительных устройствах для увеличе­ния скорости движения дуги и усиления интенсивности ее охлаждения применяют специальное магнитное дутье, а при малых токах, когда магнитное дутье малоэффективно, применяют воздушное дутье.

В коммутационных аппаратах на напряжение более 6 кВ для эффективного воздействия на столб дуги применяют воздух высокого давления, трансформаторное масло, инертный газ, вакуум.

Дуговый разряд — обзор

8.17.2.1 Дуговый разряд

В процессе дугового разряда атомы углерода испаряются плазмой газообразного гелия, воспламеняемой высокими токами, проходящими через противоположные угольные анод и катод (, рисунок 4 ). ^33,34 В наиболее распространенной схеме производства в лабораторных условиях дуга постоянного тока (DC) работает в зазоре шириной 1–4 мм между двумя графитовыми электродами диаметром 6–12 мм, установленными вертикально. или горизонтально в камере с водяным охлаждением, заполненной газообразным гелием при давлении ниже атмосферного. ⁶ Метод угольной дуги для создания УНТ кажется очень простым; однако получение УНТ с высоким выходом очень сложно и требует тщательного контроля условий эксперимента. ⁶ Газообразный гелий и постоянный ток более важны для достижения максимального выхода; положение оси электрода не оказывает заметного влияния на качество или количество MWNT. Кроме того, постоянная скорость подачи и ток дуги требуются на протяжении синтеза в наиболее стабильном и высокопроизводительном дуговом процессе. ³⁵ Было показано, что оптимальные условия для роста УНТ включают прохождение постоянного тока (80–100 А) через два высокочистых графитовых электрода (внешний диаметр 6–10 мм, расстояние около 1–2 мм) в атмосфере гелия. (500 торр). ³² Параметры МУНТ, оцененные с помощью наблюдений просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), сильно зависят от параметров дуги.

Рис. 4. Схематическое изображение аппарата дугового разряда, используемого для производства фуллерена и нанотрубок.

Адаптировано с разрешения Terrones, M. Int. Матер. Rev. 2004 , 49 , 325. ³²

В 1991 году Iijima ²⁶ сообщил о получении нового типа конечных углеродных структур, состоящих из игольчатых трубок. Трубки были изготовлены с использованием метода испарения дугового разряда, аналогичного тому, который использовался для синтеза фуллерена ( Рисунок 4 ). Угольные иглы диаметром от 4 до 30 нм и длиной до 1 мм выращивались на отрицательном конце угольного электрода.Изображения ПЭМ показали, что каждая из игл состояла из коаксиальных трубок из графитовых листов, в количестве от 2 до примерно 50, позже названных MWNT (, рис. 5, ).

Рис. 5. Однородные УНТ гексагональной сети: ПЭМ-изображения (а), (б) и (в) для трех МУНТ, впервые представленные Иидзимой в 1991 г.

Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Иидзима, С. Nature 1991 , 354 , 56, ²⁶ Copyright 1991.

Позже исследование с помощью ПЭМ морфологии углеродных микротрубочек, синтезированных с помощью процесса дугового разряда, показало, что существует множество вариаций формы, особенно вблизи концов трубок. . ³⁶ Была построена топологическая модель, в которой пятиугольники и семиугольники играли ключевую роль в форме наконечников трубки. Модель неограниченного роста была предложена Iijima et al. , ³⁷ , в котором атомы углерода захватываются оборванными связями, и послойный рост (LBL), при котором нанотрубки утолщаются. Зарождение положительных (пятиугольники) и отрицательных (семиугольников) дисклинаций на концах открытых трубок приводит к изменению направления роста, соответственно образуя УНТ с различной морфологией.

В 1992 году прорыв в MWNT, полученном с помощью дугового разряда, был впервые сделан Эббесеном и Аджаяном, ³⁸ , которые добились роста и очистки высококачественных MWNT на уровне граммов. Синтезированные МУНТ имеют длину порядка 10 мкм и диаметр в диапазоне 5–30 нм. УНТ обычно связаны сильными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями и образуют плотные пучки. МУНТ, полученные с помощью дугового разряда, обычно очень прямые, что указывает на их высокую кристалличность. В случае выращенных материалов на боковых стенках УНТ присутствует небольшое количество дефектов, таких как пятиугольники или семиугольники.

Ожидается дальнейшее увеличение производительности MWNT за счет использования более толстых графитовых стержней в более крупных и мощных дуговых реакторах. Это ожидание было достигнуто при строительстве крупномасштабного дугового реактора с камерой объемом 350 л (, рис. 6, ( и )), способной испарять графитовые стержни диаметром до 75 мм. ³⁹ Цилиндрические катодные отложения, полученные в этом увеличенном масштабе (, рис. 6, (b )), содержат мягкую сердцевину внутри внешней твердой оболочки.В оптимальных условиях материал сердцевины имеет столбчатую структуру. Диаметр колонки и сепарации примерно такие же, как у отложений малого диаметра. Кроме того, длина столба в крупных осадках обычно намного меньше (∼3–5 мм) из-за более низкой стабильности плазмы в дуговом промежутке. Оптимальные условия для производства MWNT включают тот же диапазон давления гелия и ширины дугового промежутка, но при существенно более низких плотностях тока по сравнению с анодами лабораторного масштаба. Подразумевается, что крупномасштабный реактор, описанный выше, очень близок к оптимальным размерам и мощности для синтеза МУНТ в дуге и, вероятно, останется самым большим реактором в мире в течение следующих нескольких лет. ³⁹ Во время дугового процесса следующим логическим шагом для увеличения выпуска MWNT будет автоматизация крупномасштабных реакторов, которая сделает производственный процесс почти непрерывным.

Рис. 6. (а) Промышленный реактор дугового разряда для производства УНТ. Он обеспечивает испарение до 1 кг анода в час. (b) Катодные отложения, полученные с помощью промышленного оборудования с графитовыми анодами диаметром 65 и 25 мм (два задних слоя) и с помощью лабораторной установки дугового разряда с анода диаметром 8 мм (переднее напыление) в течение ~ 1 часа прогонов.

С любезного разрешения Springer Science + Business Media: Loutfy, R.O .; Lowe, T.P .; Моравский, А.П .; Катагири, С. В перспективе нанотехнологий фуллеренов , Исава, Э., Ред .; Springer: Нидерланды, 2002 г .; pp. 35. ³⁹ Copyright 2002.

Дуговый разряд стал отличным методом для получения как MWNT, так и SWNT с высоким качеством. Для выращивания ОСНТ в системе дугового разряда обычно требуется металлический катализатор. В 1993 году Иидзима и Ичихаши ⁵ и Бетюн и др. . ⁴⁰ почти одновременно сообщили о дуговом разряде и каталитическом синтезе ОСНТ. Иидзима использовал камеру дугового разряда, которая была заполнена газовой смесью 10 Торр метана и 40 Торр аргона. В центре камеры устанавливались два вертикальных тонких электрода. Катод, а именно нижний электрод, имел неглубокое углубление, чтобы удерживать небольшой кусок железа во время испарения. Дуговый разряд создавался за счет подачи постоянного тока 200 А при 20 В между электродами.Все три используемых компонента, железо, метан и аргон, имели решающее значение для синтеза ОСНТ. Электронно-микроскопические изображения полученных образцов показали наличие нитей SWNT, которые были изогнуты и спутаны, образуя пучки. ОУНТ имели диаметр ~ 1 нм с широким распределением диаметров от 0,7 до 1,65 нм. С тех пор рост ОСНТ изучается с использованием различных элементов и соединений. ^41–46

При синтезе УНТ в дуговом разряде Bethune и соавторы ⁴⁰ использовали тонкие электроды с просверленными отверстиями, заполненными смесью чистых порошкообразных металлов (Fe, Ni или Co) и графита в качестве анодов.Электроды испарялись при токе 95–105 А в 100–500 Торр газообразного гелия. ПЭМ-анализ полученных образцов показал, что только сокатализированные УНТ имели стенки с одноатомным слоем с одинаковым диаметром 1,2 ± 0,1 нм (, рис. 7, ).

Рис. 7. ПЭМ-изображение оголенного участка подготовленной ОСНТ.

Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Bethune, D. S .; Klang, C.H .; de Vries, M. S .; et al. Природа 1993 , 363 , 605. ⁴⁰ Copyright 1993.

Большое количество SWNT были выращены с помощью техники дугового разряда Журне и его коллегами. ⁴⁷ Дуга возникла между двумя графитовыми электродами в реакторе в атмосфере гелия с давлением 660 мбар. На конце анода просверлено отверстие, заполненное смесью металлического катализатора (Ni – Co, Co – Y или Ni – Y) и графитового порошка. Дуга генерировалась током 100 А при поддерживаемом постоянном падении напряжения 30 В. Наблюдения с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показали, что осажденный материал, по-видимому, состоит из большого количества (~ 80%) перепутанных углеродных нитей ( Рисунок 8 ( и )).ПЭМ-изображения высокого разрешения показали, что канаты имеют диаметр от 5 до 20 нм. Диаметр трубок составлял около 1,4 нм, а среднее расстояние между ними составляло ~ 1,7 нм ( Рисунок 8 ( b )). Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) показали периодическое расположение трубок в канатах, что приводит к заключению об уникальном механизме роста, который не зависит от подробных условий эксперимента, но гораздо больше зависит от кинетики конденсации углерода в неравновесная ситуация. ⁴⁷

Рис. 8. (а) СЭМ и (б) ПЭМ-изображения с высоким разрешением подготовленной ОСНТ Журне и его коллегами.

Адаптировано с разрешения Journet, C .; Maser, W. K .; Bernier, P .; et al. Природа 1997 , 388 , 756. ⁴⁷

УНТ, полученные из углеродного пара, образованного дуговым разрядом графита, обычно имеют меньше структурных дефектов, чем те, которые получены с помощью каталитических методов химического осаждения из паровой фазы, которые в основном объясняются более высокой температурой роста. обеспечивает идеальный отжиг дефектов в трубчатых листах графена.Кроме того, МУНТ, полученные высокотемпературным методом, являются совершенно прямыми по сравнению с запутанными трубками, полученными при низких температурах в процессах химического осаждения из паровой фазы с металлическим катализатором. Кроме того, в настоящее время метод дугового разряда остается самым простым и дешевым методом получения больших количеств ОУНТ, но УНТ, получаемые в процессе производства, менее чистые, чем полученные с помощью лазерной абляции. Таким образом, многие экспериментальные и теоретические исследования все еще проводятся для улучшения выхода ОСНТ в дуговом процессе и для обеспечения всестороннего понимания механизма роста.Масштабирование, оптимизация и управление процессом дугового разряда, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, по-прежнему остаются важной задачей. ⁶

Экспериментальный анализ влияния дуговых разрядов постоянного тока при различных режимах потока: Physics of Fluids: Vol 27, No. 3

B. Низкоскоростной поток (M = 0,33)

На рис. температурный пузырь при продувке аэродинамической трубы. Восходящее распространение температурного поля показано в условиях покоя в сочетании с его движением в продольном направлении, обусловленном потоком.Следовательно, область горячего воздуха распространяется по клину со степенью, пропорциональной скорости потока. Длина теплового факела в продольном направлении (т. Е. Наибольшая длина от кончика электрода до крайней части горячего факела) достигала 11,6 мм при скорости потока 115 м / с. Длина теплового факела увеличилась до 31,1 мм от электродов примерно через 170 мкс.

C. Высокоскоростной поток (M = 3.3)

Экспериментальная кампания в сверхзвуковом режиме проводилась в трех различных условиях: без электродов, с их наличием и с включением разряда.На рисунке 10 (d) показан тренд статического давления вдоль рампы сжатия для общего давления на входе 7 бар в отстойной камере аэродинамической трубы, а на рисунках 10 (a) -10 (c) показано поле потока в трех испытаниях. чехлы соответственно. Вертикальный сегмент, который появляется в правом верхнем углу кадров, не является элементом потока, а вызван дефектом в оптических окнах. Предполагая изоэнтропическое расширение в сопле, из измерений статического и полного низкочастотного давления, число Маха набегающего потока равно 3.3 было достигнуто в тестовой секции. После косого скачка уплотнения, наклоненного под углом 40,3 °, число Маха в продольном направлении уменьшилось до 1,97. В существующей конфигурации в пограничном слое, вблизи скачка скачка уплотнения, полусферические ударные волны, вызванные зубцом, могут помочь закрепить неустойчивый скачок скачка уплотнения. Кроме того, поскольку они были расположены одновременно с ударной опорой, срабатывания могли осуществляться в области высокой чувствительности поля потока. Влияние дуговых разрядов в сверхзвуковых условиях количественно анализировалось с помощью алгоритмов взаимной корреляции на последовательных парах изображений.Наносекундное время экспозиции и высокое разрешение изображений повысили резкость турбулентных структур, которые использовались в качестве трекеров. Как показано на Рисунке 11 (а), исследуемой областью был поток вдоль аппарели ниже по потоку от наклонной ударной волны. Кадры были повернуты, чтобы сделать передний край рампы горизонтально, и дополнительно обрезаны в области 720 × 100 пикселей, как показано на рисунке 11 (b), с двумя последовательными кадрами, готовыми к обработке. Кроме того, во время предварительной обработки изображения на верхнюю часть изображения была нанесена маска, которая все еще показывала ударную волну.Окна опроса пришлось растянуть по направлению доминирующего потока. Соотношение сторон окон опроса составляло 4 (256/64 пикселей). Программное обеспечение, используемое для вычисления взаимной корреляции, представляет собой внутренний код, итеративную многосеточную сетку с деформацией окон, которая определяет векторы скорости в окнах опроса с учетом эффектов сдвига и вращения. Чтобы уточнить векторное поле, мы усовершенствовали окна запроса в несколько этапов, и векторное поле более грубой сетки окон запроса используется в качестве предиктора для следующей, более тонкой сетки окон запроса.Два уровня уточнения означают, что размер первого окна запроса составлял 256 × 64 пикселей, первый уровень уточнения — 128 × 32 пикселей, второй и последний уровень уточнения — 64 × 16 пикселей. Для последнего и самого точного уровня уточнения во время обработки применялось наложение с размером 48 пикселей на 64 пикселя, что означает 75% наложения в основном направлении потока (горизонтальном), в то время как 12 пикселей перекрываются в окнах 16 пикселей, т. Е. Также Было применено перекрытие 75% для нормального направления стены.Таким образом, окончательный интервал между векторами составлял 4 пикселя по нормали к стене и 16 пикселей по направлению основного потока (по горизонтали). Это дает 45 векторов по горизонтали и 25 векторов по нормали к стене, всего 1125 векторов. Совокупность этих векторов используется для построения гистограмм, представленных в статье. На рисунке 11 (c) показано вычисленное поле скорости при обработке десяти пар изображений для трех конфигураций (без электродов, электродов без разрядов и разрядов). По всем результатам наблюдалась четкая тенденция эволюции величины скорости от одной конфигурации к другой.Как показано на рисунке 11 (c), величина скорости увеличивается с наличием электродов. Гистограмма величины скорости была построена с учетом значений выше 360 м / с для анализа влияния разрядов на поле скорости. Диапазон скоростей на рисунке был выбран, чтобы подчеркнуть разницу между тремя конфигурациями примерно на 20 м / с вокруг среднего уровня. Количество векторов скорости, включенных в каждый класс, нормировалось на общее количество векторов. Отображаемые результаты были усреднены по десяти наборам кадров, обработанным для каждой конфигурации (рисунок 11 (d)).Сравнение трех конфигураций показывает, что распределение скоростей имеет тенденцию следовать искаженному гауссовскому тренду, который транслируется в более высокие скорости в присутствии электродов и даже больше в присутствии разрядов через усредненные значения скорости по десяти наборам кадров. 454, 476 и 492 м / с соответственно. Применение зубцов вызвало локальную закупорку в пограничном слое, что привело к ускорению потока до 22 м / с. Возникновение дуги и, в частности, теплового эффекта, вызывает появление горячего диска, который еще больше ускоряет поток на 16 м / с.Неопределенность в оценке скорости составляет менее 2 м / с. Результаты подтверждают влияние электрических разрядов низкой энергии (100 мДж на импульс для всех исполнительных механизмов) на поле потока высокой энергии (30 Дж) и в частности о распространении турбулентных структур по клину. Результаты теневого изображения и велосиметрии изображения Шлирена, представленные Jonassen et al. ²⁶ 26. Д. Р. Йонассен, Г. С. Сеттлс, М. Д. Троноски, «Шлирен PIV для турбулентных течений», Опт.Lasers Eng. 44 (34), 190–207 (2006). https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.04.004 в условиях, подобных нашему настоящему исследованию, показало очень хорошее согласие с данными зонда Пито. Определение неопределенности скорости было оценено численно путем применения синтетических возмущений к реальные изображения. ^26,29,30 26. Д. Р. Йонассен, Г. С. Сеттлс, М. Д. Троноски, «Шлирен PIV для турбулентных потоков», Опт. Lasers Eng. 44 (34), 190–207 (2006).https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.04.00429. М. Раффель, К. Виллерт и Дж. Компенханс, «Постобработка данных PIV», {} в «Скорость измерения изображения частиц», Exp. Жидкий мех. (Springer, Berlin, Heidelberg, 1998), стр. 147–171.30. BF Bathel, PM Danehy, JA Inman, SB Jones, CB Ivey и CP Goyne, «Многократные измерения профиля скорости в гиперзвуковых потоках с использованием флюоресцентных меток с последовательным отображением», на 48-м заседании AIAA Aerospace Sciences , включая форум New Horizons и аэрокосмическую выставку (Американский институт аэронавтики и астронавтики, Орландо, 2010 г.), AIAA Paper AIAA 2010-1404, Vol.1404. В результате экспериментов получаются пары изображений, содержащие определенное смещение структур. Чтобы определить, насколько точно алгоритм корреляции может определять смещение, то есть какова чувствительность метода, можно наложить точное искусственное смещение структур на существующие изображения и проверить, что дает алгоритм корреляции. Одна пара изображений состоит из двух изображений: изображения A и изображения B. Сначала для всех изображений A серии было выполнено искусственное смещение примерно такой же величины, как было измерено (15-20 пикселей) в среднем направлении потока.Это исследование называется тестом самосдвига, потому что в этом случае выполняется взаимная корреляция данного изображения с самим собой, сдвинутым на известное количество пикселей. Такие же тесты самосмещения были проведены на всех B-изображениях серии. Испытания на самосмещение проводились как в направлении среднего потока (x), так и в направлении нормали к стенке (y). Обнаружено, что погрешность корреляции несколько выше в перпендикулярном к стене направлении, чем в продольном направлении, что связано с соотношением размеров плотностных структур и размеров окон опроса в нормали к стене ( у) направление.Чтобы учесть также эволюцию структур плотности, а также изменение интенсивности лазерного излучения двух лазерных резонаторов, изображения серии B были возмущены на 1–4 пикселя со сдвигом в направлениях x и y, а изображения полученные таким образом коррелировали с соответствующими изображениями A. В этом тестовом случае поле скорости неоднородно, но однородно возмущено. Затем можно определить погрешность корреляции в зонах более низкой и высокой скорости.Максимальная ошибка, полученная при тестировании самосмещения, составила 0,659 м / с, в то время как из-за возмущения серии изображений B она составила 1,845 м / с. Средняя ошибка и стандартное отклонение ниже этих значений и перечислены в таблице I для изображений с самосмещением A и B.

ТАБЛИЦА I. Сводка погрешностей измерения скорости.

Источник ошибки	Среднее значение (м / с)	Дисперсия (м / с)
Самосдвиг изображения A (280 × 54 пикселей)	± 0.37	± 0,21
Самосдвиг изображения B (280 × 54 пикселей)	± 0,33	± 0,24

Распределение температуры дугового разряда постоянного тока в газе He с …

Контекст 1

… испарение и осаждение паров углерода включены, мы можем видеть некоторые существенные изменения в потоке плазмы. В то время как поток плазмы был параллелен электродам в непосредственной близости от них, теперь он перпендикулярен поверхности в областях, где электрод горячий.Это показывает, что большой объем испаренного углерода нарушает поток вблизи электродов. Кроме того, водовороты, которые образовались, когда углерод не удалялся, уменьшаются в размере, если принять во внимание испарение. Скорее всего, это связано с тем, что плотность тока не так высока при абляции углерода. Добавление в плазму паров углерода значительно увеличивает электропроводность в более холодных областях плазмы, распространяя ток по большей области.Распределение температуры в плазме без испарения углерода показано на рисунке 3. Если не учитывать испарение углерода, можно увидеть глобальный максимум температуры рядом с анодом. Большая скорость плазмы и вихри, образующиеся в этих условиях, усиливают эффекты конвективного охлаждения, создавая очень большие градиенты температуры в непосредственной близости от электродов. Хотя окончательные результаты еще не получены для случая, когда учитывается испарение электродов, ожидается, что углеродный пар, который вводится в плазму, будет охлаждать область дуги, поскольку углерод имеет значительно более высокое излучение и более высокую электрическую проводимость (что приводит к снижению плотности тока).Уменьшение размера водоворотов означает, что конвективный перенос тепла невелик, что приводит к уменьшению температурных градиентов. На рис. 4 показана массовая доля углерода, образующегося при испарении. Очевидно, что концентрация углерода наиболее высока в областях непосредственно под анодом. Ожидается, что включение диффузии в расчет приведет к размытию минимума массовой доли углерода на оси дуги. Более низкая максимальная температура (которая все еще выше, чем точка сублимации углерода), меньшие градиенты температуры и уменьшение конвективного движения плазмы являются ключом к росту высококачественных наноструктур.Наноструктуры различной морфологии зарождаются и растут при определенных температурах. В случае углерода ни одна наноструктура не будет зарождаться при температуре выше ~ 3915 К. Без присутствия катализаторов температуры, при которых могут зародиться различные полезные наноструктуры, находятся в диапазоне примерно от 1500 до 2500 К, после чего узкая температура диапазон оптимален для их роста [15, 16]. Предполагая, что наночастицы, которые образуются в дуге, перемещаются с потоком плазмы, в идеале максимальная температура дуги должна быть чуть выше оптимальных температур зародышеобразования для требуемых наноструктур, а температура плазмы, через которую проходят наночастицы по мере своего роста, должна оставаться довольно близкой к оптимальная температура роста желаемой наноструктуры.Это обеспечит производство больших объемов качественных наноструктур. Исследовано влияние учета сохранения массы углерода на дуговый разряд постоянного тока. Сравнение с результатами, полученными для плазмы чистого гелия без испарения углерода, показывает различия в потоке плазмы, плотности тока и температурном распределении плазмы. Одно из самых сильных различий между двумя системами — уменьшение размера водоворотов при включении абляции. Это является следствием уменьшения плотностей тока около электродов и относительно большого объема углерода, поступающего в плазму в результате испарения анода.Уменьшение размера вихря ослабляет конвективное охлаждение, что снижает градиенты температуры. Это улучшает пригодность таких дуг для роста углеродных наноструктур. Однако предстоит еще много работы по адаптации условий дуги, чтобы можно было избирательно выращивать наноструктуры …

Стабильный синтез многослойных нанотрубок нитрида бора анодным дуговым разрядом

Анодный разряд

БННТ были синтезирован дуговым разрядом, работающим при токе разряда 40 А и напряжении разряда от 35 до 40 В при 400 торр N ₂ .Более подробное описание работы дуги описано в разделе «Методы». Одним из важнейших требований к успешному синтезу дуги является наличие токопроводящих электродов, способных выдерживать постоянный ток в электрической цепи дуги. Бор — это полупроводниковый материал, который не обладает достаточной проводимостью для зажигания дуги при комнатной температуре ^{1, 26} . Чтобы решить эту проблему, в борные электроды были включены следовые количества никеля и кобальта, так что дуга могла зажигаться без дополнительного механизма нагрева.Было обнаружено, что борный анод расходуется и участвует в реакции синтеза нитрида бора с фоновым газообразным азотом, в то время как материалы катода могут быть либо вольфрамом, либо бором, что не влияет на результаты синтеза. После разряда серые волокнистые продукты были обнаружены на электродах, листе коллектора материала, расположенном под электродами, и на стенке камеры без предпочтительного места для осаждения. Из-за пространственно случайного осаждения волокнистых продуктов сложно собрать все продукты и точно охарактеризовать выход синтеза.Этот результат аналогичен случаю дугового производства однослойных УНТ с использованием металлического катализатора, в котором черный тканевый материал, содержащий нанотрубки, также можно найти на стенках камеры и электродах. Принято считать, что этот рулонный материал является проявлением нанотрубок объемного роста. Помимо углеродного полотна на катоде растет углеродный осадок с многослойными нанотрубками. Во время работы угольной дуги этот осадок действует как эффективный термоэлектронный эмиттер, который нагревается тепловым потоком плазмы из-за теплопроводности, ионной бомбардировки и скрытого тепла, подводимого к поверхности катода с продуктами абляции от графитового анода ^{. 16, 17, 27} .Однако, в отличие от угольной дуги, на обращенной к плазме острие вольфрамового катода почти нет отложений. Как будет описано позже, во время работы дуги кончик вольфрамового катода нагревается до температур выше 3000 К.

Волокнистые продукты, синтезированные с катодами из вольфрама и бора, исследовались с помощью ПЭМ. Типичный внешний вид волокнистых продуктов показан на рис. S1. В обоих случаях результаты были почти идентичными, и продукты содержали BNNT вместе с непрореагировавшим анодным материалом, обернутым слоями нитрида бора.Как показано на рис. 1, БННТ, синтезированные с помощью дуги, в основном одностенные и двустенные, на которые не влияют материалы катода. Как однослойные, так и двустенные нанотрубки обычно объединяются в пучки, как показано на рис. 2, и их длина составляет несколько микрометров, что аналогично длинам, указанным Камингсом и Зеттл ¹ . Это наблюдение указывает на то, что вольфрамовый катод не повлиял на синтез БННТ и что разряд является анодным, что аналогично разряду для синтеза УНТ дугой.

Рис. 1

БННТ, синтезированные с катодами из бора ( a ) и вольфрама ( b ), показывают аналогичные результаты. Трубки в основном были одностенные и двустенные.

Рисунок 2

( a ) Одно- и ( b ) двустенные пучки BNNT.

Кроме того, разряд был стабильным и мог работать непрерывно в течение нескольких минут без перерыва при использовании вольфрамового катода.Стабильная работа дуги приведет к повышению производительности синтеза. Вместе с обзором ПЭМ это наблюдение указывает на то, что разряд имеет анодную природу, где основная роль катода заключается в обеспечении электронной эмиссии, которая поддерживает ток дуги.

Иногда во время съемки с помощью просвечивающего электронного микроскопа обнаруживались концы трубок. Было замечено, что нанотрубки могут расти из борного анодного материала, который не прореагировал полностью. На рисунке 3 показано, что из наночастицы бора выросли три нанотрубки, что, по наблюдениям, предполагает механизм роста корней нанотрубок.Частица показывает две области с разными контрастами, что указывает на то, что частица состоит из разнородных элементов, что будет обсуждаться в разделе характеристик материала.

Рис. 3

Три BNNT, выросшие из непрореагировавшей анодной наночастицы. Частица также покрыта слоями нитрида бора.

Температура катода

Во время разряда температуру вольфрамового катода контролировали с помощью ИК-камеры, как описано в разделе «Методы». {\ frac {-W} {kT}} $$

где J — плотность электронного тока, A ₀ — постоянная Ричардсона (120 A ∙ мм ⁻² ∙ K ⁻² ), T — температура (K), W — работа выхода вольфрама ( 4.55 эВ), k — постоянная Больцмана (8,62 × 10 ⁻⁵ эВ ∙ K ⁻¹ ). Мы обнаружили, что термоэлектронная эмиссия электронов из горячей 10 мм ² области кончика катода может поддерживать ток дуги (40 А).

Рис. 4

( a ) ИК-изображение электродов во время дугового разряда. ( b ) Температурный профиль вольфрамового катодного наконечника, обращенного к плазме. Положение нуля соответствует центру по ширине электрода (3.2 мм), с указанием других положений относительно кромки электрода.

Следует отметить, что, хотя бор имеет работу выхода 4,45 эВ ²⁸ , аналогичную работе выхода вольфрама, бор плавится при 2350 К, что ниже температуры, необходимой для термической поддержки тока дуги. Хотя точные вклады электронов и ионов в общий ток при их присоединении к катоду неизвестны, разумно предположить, что при одинаковом токе дуги и давлении азота они одинаковы как для богатого бором катода, так и для вольфрамовых катодов.Это означает, что температура катодов также должна быть одинаковой, чтобы поддерживать такой же ток термоэлектронной эмиссии. Однако, в отличие от вольфрама, богатый бором катод должен находиться в расплавленном состоянии при 3200 К. При работе дуги с двумя расплавленными электродами, богатыми бором, мы наблюдали их частое прилипание из-за образования капель расплава. Следовательно, такое прилипание электрода приводит к прерыванию дугового разряда и снижает производительность синтеза.

Характеристика материала

Для подтверждения того, что нанотрубки, синтезированные с помощью дугового разряда, представляют собой нитрид бора, синтезированные материалы были охарактеризованы методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и рамановской спектроскопии.EDS полезен для идентификации элементов, содержащихся в наночастицах, и подтверждения того, что слоистые структуры состоят из бора и азота. Для этих измерений мы использовали сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM), снабженный EDS. Можно определить присутствие бора в наноструктурах с помощью EDS, но количественно определить количество бора сложно из-за низкой энергии рентгеновского излучения. Наряду с нанотрубками образуются частицы размером от 5 до 50 нм. Как показано на рис.5, эти наночастицы представляют собой непрореагировавший анодный материал, содержащий бор, кобальт и никель. Синтезированные нанотрубки содержали только бор и азот, без кобальта или никеля, захваченных нанотрубками; как кобальт, так и никель были обнаружены только в непрореагировавших частицах анода. Кроме того, эти частицы были обернуты слоями нитрида бора, как в случае, показанном на рис. 3. Наблюдение за никелем и кобальтом поднимает вопрос: нужен ли металлический катализатор (-ы) для роста нанотрубок из нитрида бора? Для синтеза BNNT на основе плазменной горелки RF сообщили Fathalizadeh et al . ⁷ и Ким и др. . ⁸ , металлический катализатор для производства БННТ не требовался. С другой стороны, в синтезе BNNT в дуговом разряде, о котором сообщили Камингс и Зеттл ¹ , они не могли быть уверены в роли кобальта и никеля в росте трубки. Чтобы исследовать этот вопрос в случае нашего нынешнего подхода к дуговому разряду, мы провели отдельные эксперименты по дуговому разряду, в которых использовался чистый бор в качестве исходного материала, и мы по-прежнему производили нанотрубки из нитрида бора.Результаты показывают, что металлический катализатор (катализаторы) не требуется для роста трубок. Также наблюдались признаки роста корней, аналогичные рис. 3, но частица содержит только бор, о котором эта текущая работа будет предметом отдельной статьи, о которой будет сообщено отдельно.

Рисунок 5

Результаты элементарного картирования EDS. Частицы содержат бор, кобальт и никель, характерные для исходного анодного материала, используемого в дуговом синтезе. Результаты картирования бора и азота показывают, что пучки трубок в нижнем левом углу представляют собой нитрид бора, а наночастицы обернуты нитридом бора.

Рамановская спектроскопия

была использована для подтверждения того, что бор и азот, обнаруженные в продукте, соответствуют гексагональному нитриду бора (h-BN). Как показано на рис. 6, мода E _2g (~ 1365 см ^-1 ), связанная с h-BN ²⁹ , наблюдалась на синтезированных BNNT со смещением в синий цвет 5 см ^-1 . Этот синий сдвиг может наблюдаться только в многослойном h-BN, и он возникает из-за уменьшенного взаимодействия соседних листов ^{30, 31} .Результаты комбинационного рассеяния подтверждают, что синтезированные продукты представляют собой не только h-BN, но и несколько слоев, что согласуется с наблюдением ПЭМ, что трубки в основном одностенные и двустенные.

Рис. 6

Спектры Рама объемного порошка гексагонального нитрида бора (черный) и БННТ, синтезированных дугой (красный). Наблюдалась только мода гексагонального нитрида бора E _2g , а синий сдвиг, наблюдаемый в синтезированных БННТ, характерен для многослойного нитрида бора.

Синтез углеродных нанотрубок с помощью дугового разряда с иттриевым катализатором

Предлагается простой метод использования управляемого компьютером дугового разрядного промежутка между графитовыми электродами вместе с иттрий-никелевым катализатором для синтеза углеродных нанотрубок в газовой смеси Ar-H ₂ атмосферы, применяя различные постоянные токи и давление.Это производит углеродные нанотрубки с уменьшенным диаметром и увеличенной длиной. Данные XRD указали на сдвиг в сторону нанотрубок с более высокой степенью кристалличности. Выходы УНТ после очистки также увеличились.

1. Введение

В последние годы проводились интенсивные и расширяющиеся исследования в области производства углеродных нанотрубок, поскольку эти новые наночастицы с уникальными свойствами открывают новые перспективы и возможности применения в различных областях, таких как электроника. композитные функционализированные материалы и биомедицинские приложения — это лишь некоторые из них.Обычно существует три основных пути такого синтеза углеродных нанотрубок: дуговый разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы. Методика дугового разряда проста в установке и позволяет получать высокие выходы [1]. Этот метод первоначально использовал Иидзима [2] для производства многослойных углеродных нанотрубок. Дуговый разряд — очень простой метод, позволяющий производить массовое производство как многослойных, так и однослойных углеродных нанотрубок [3]. Дуговый разряд — популярный метод производства ОСНТ, и высококачественные ОСНТ обычно собираются вокруг катода для облегчения сбора после завершения процесса [4].Метод углеродной дуги для создания MWNT кажется очень простым, но получение трубок с высоким выходом может быть трудным и требует тщательного контроля условий эксперимента. В наиболее распространенной производственной схеме в лабораторном масштабе дуга постоянного тока (DC) работает при зазоре шириной от 1 до 4 мм между двумя графитовыми электродами, которые обычно имеют диаметр от 6 до 12 мм и устанавливаются вертикально или горизонтально в водопроводной сети. охлаждаемая камера, заполненная газообразным гелием при давлении ниже атмосферного.Газообразный гелий и постоянный ток являются важными параметрами для максимального увеличения выхода процесса [5]. Zhao et al. [6] использовали в своей работе атмосферы H ₂ -Ar, содержащие 60% Ar-40% H ₂ под давлением 266,6 мбар, в то время как Luo et al. [7] и Sun et al. [8] использовали водород высокой чистоты при давлении 799,9 мбар для оптимизации выхода в процессе. Фархат и др. [9], Hai-yan et al. [10] и Sugai et al. [11] все успешно использовали атмосферу Ar для оптимизации выхода полученных нанотрубок.Положение оси электрода не оказывает заметного влияния на качество или количество МУНТ. Положительный электрод (анод) длиной 50–250 мм расходуется в дуге, в то время как осадок накапливается и растет на катоде цилиндрической формы, который действует как отрицательный электрод [5]. Формирование углеродных нанотрубок зависит от плотности плазмы, электрического поля и толщины плазменной оболочки. Как это часто бывает с химическими реакциями, катализатор может значительно влиять на выход процесса, а использование расплавленных металлов или их смесей, как известно, улучшает количество нанотрубок, которые могут быть получены в производственном цикле [12].Рост углеродных нанотрубок на частицах расплавленного металлического катализатора внутри плазменной оболочки вызывает диффузию адатомов углерода к катализатору, который обычно может быть включен в структуру трубки. Диаметр углеродных нанотрубок зависит от размера / количества расплавленного катализатора [12]. Например, можно получить большое количество нанотрубок, используя в качестве катализатора C: Y: Ni в соотношении 13: 1: 4 ат.% [13, 14]. Диллон и др. описали работу с использованием графитовой мишени, легированной 0,6 ат.% Со и 0,6 ат.%.6 ат.% Ni-катализатора. Процесс происходит в среде Ar с 666,6 мбар [15]. Борисенко и др. [16] относятся к чистому металлу (Fe, Ni и Co), смешанному с графитовым порошком в качестве катализатора, чтобы получить концентрацию легирующей примеси / анода 0,5–3%. Было также обнаружено, что максимальная концентрация Y: Ni = 15% улучшает выход длинных пучков углеродных нанотрубок, в то время как высокая доля иттрия приводит к образованию структур, подобных морскому ежу [17]. Из цитированной ранее литературы ясно, что катализатор может влиять как на выход, так и на морфологию углеродных нанотрубок, полученных во время процесса дуги.В этой статье будет описана дальнейшая работа в этой области, и особое внимание будет уделено повышению выхода, которое может быть получено с конфигурацией катализатора оксид иттрия / никель / углерод. Насколько нам известно, в литературе не было найдено никаких предыдущих отчетов, в которых использовалась бы смесь оксида лантана / металла в качестве катализатора для увеличения выхода углеродных нанотрубок в популярном процессе углеродной дуги.

2. Экспериментальная

2.1. Устройство для дугового разряда постоянного тока

На рисунке 1 представлена ​​схематическая диаграмма устройства для дугового разряда постоянного тока, используемого в настоящей работе.Внешний диаметр и длина аппарата составляют 243 мм и 472 мм соответственно. Толщина стенки камеры и длина аппарата составляют 0,3 см и 122,5 см, соответственно, и выполнены из нержавеющей стали 304. Камера окружена змеевиком из медной трубы (Ø 0,25 дюйма) длиной 28 метров. Катодная трубка также охлаждается водяной баней и циркуляцией от электрического насоса, чтобы избежать высокого температурного градиента. Конструкция камеры позволяла легко контролировать расстояние между двумя электродами с помощью шагового двигателя (модель NEMA23) для одной оси, который управляется программой ЧПУ, использующей Windows XP в качестве платформы.Программа высокой точности позволяет компенсировать люфт ходового винта и, таким образом, позволяет регулировать точность зазора с допусками микрометров. Эта конструкция полностью отличается от других описанных и используется для увеличения рабочего времени и урожайности. Для откачивания камеры примерно до -1000 мбар использовался роторный вакуумный насос. Затем вводили газообразный аргон и водород высокой чистоты при 200 мбар, 0 мбар, 100 мбар, -200 мбар и -100 мбар. Графитовые электроды, использованные в этом исследовании, изготовлены из графита высокой чистоты (см. Состав в таблице 1).Он был вырезан и обработан на токарном станке с получением анода диаметром и длиной 8 мм и 80 мм соответственно и катода диаметром и длиной 25 мм и 20 мм соответственно. Постоянный ток подавался от сильноточного источника питания типа Cebora, модель 4040 / T-Cell. Возникший дуговый разряд был виден через герметичное кварцевое окно. Схема показана на рисунке 1.

Элементы Al% Na% Mg% Si% V33 комп. 1,9 <0,035 0,033 0,024 0,001 0,001 Элементы S% Y% Y% Mo C% Химический комп. 0,015 0,001 0,001 0,001 0,0001 Баланс.

2.2. Синтез УНТ

Синтез УНТ проводился в дуговом разряде постоянного тока (рис. 2). В типичном эксперименте смесь 1% Y ₂ O ₃ , 4% Ni и 95% C мас. использовался в качестве катализатора. Средние размеры зерен составляли 12 мкм, мкм, 7,5 мкм, мкм и 20 мкм, мкм, соответственно. Каталитическую смесь перемешивали в шаровой мельнице из оксида алюминия в течение 24 часов, а затем помещали в графитовое отверстие анода (просверленное диаметром 5 мм и глубиной 60 мм) и уплотняли вручную.После установки электродов в камеру заслонку закрывали и начинали откачку из камеры роторным насосом до достижения вакуума -1000 мбар. Затем камеру заполняли газообразным аргоном и повторно откачивали воздух несколько раз. Наконец, в камеру вводили Ar (100 мбар) в качестве буферного газа. Стабилизированный дуговый разряд формировался регулировкой анода с помощью программы ЧПУ шагового двигателя. Зазор был измерен перед включением источника питания, позволив двум электродам соприкоснуться друг с другом и установив контрольную точку перед ее изменением в обратном направлении, а при включенном питании зажег ее примерно на ~ 0.Зазор 2 мм. Возникающее в результате свечение плазмы можно было увидеть через кварцевое окно. Дуга останавливается отключением источника питания. Анодный стержень постоянно расходуется и осаждается на верхней поверхности катодного электрода. Он также заполнил пол камеры, часть сажи осела вокруг камеры (подобная ткани), а также на катододержателе, охлаждаемом медью. Собранный небольшой твердый осадок помещали в пробирку для образца и исследовали с помощью SEM, работающего при 15 кВ (модель: S-4160, Hitachi, Япония).Сканы XRD были получены на Philips XRD с излучением Cu-K α при длине волны 2 нм θ (20–60 °) и скорости сканирования 5 градусов / мин. Рентгенофлуоресцентный анализ с дисперсией по длине волны (WDXRF) выполняли на приборе Siemens SRS 200 для определения химического состава графитовых электродов.

3. Результаты и обсуждение

На рисунке 3 (а) показано отложение сажи на верхней поверхности катода в устройстве для дугового разряда через 5 минут после зажигания дуги.Это образование связано с расходом анода, о чем можно четко судить по постепенному сероватому отложению на поверхности катода, которое можно наблюдать невооруженным глазом. Были выделены три типа осаждения, то есть осаждение, сформированное в центре катода, с многослойным осаждением на внутренней стороне УНТ или осаждением тонкого легкого слоя и осаждением тонкого слоя ткани не слишком далеко от центра поверхности катода. . Сажа в виде ленты, осевшая на держателе холодной медной трубки катода, показана на рисунке 3 (b).Автоэмиссионный анализ с помощью СЭМ выявил прямые иглы УНТ в сформированном диапазоне около 10–14 нм.

Образцы УНТ исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссией (FE-SEM). Типичные изображения показаны на рисунке 4. Трубки, полученные в процессе дугового разряда постоянного тока без катализатора. На рисунках 4 (a) и 4 (b) показана углеродистая сетка с иглами, стремящимися образовать пучки, которые имеют относительно большие диаметры трубок по сравнению с трубками, полученными при использовании катализатора Y ₂ O ₃ / Ni / C в качестве показано на рисунках 5 (a) и 5 ​​(b).Дальнейшее большое увеличение, показанное на рисунках 5 (c) и 5 ​​(d), указывает на то, что наночастица сформировалась и присутствует благодаря используемому катализатору, и что все агрегируется в результате ван-дер-ваальсовых взаимодействий. При сравнении отношения длины к диаметру () ~ 120 нанотрубок, полученных без катализатора на Рисунке 4, с таковыми из углеродных нанотрубок, полученных с катализатором ~ 484, как показано на Рисунке 5, очевидно, что катализатор увеличивает длину трубы. . Кроме того, трубы, изготовленные с катализатором, имеют равномерный диаметр и могут иметь форму ОСНТ, тогда как трубы, произведенные без катализатора, имеют тенденцию иметь неравномерный диаметр и в большинстве случаев встречаются в виде многослойных нанотрубок со структурными дефектами, такими как перегибы и не полностью сформированные стенки.Катализатор, по-видимому, вызывает нарастание структурированного атома углерода на наночастицах катализатора во время плазменного процесса, в то время как в отсутствие катализатора происходит случайное нарастание атомов углерода на самих себе.

Очистка включала 0,5 г сажи, обработанной ультразвуком с 12 M HCl (200 мл) в течение 30 минут с последующим замачиванием в течение ночи. На следующем этапе сажу кипятили с обратным холодильником в 6 М HCl (200 мл) в течение 6 часов, после чего следовала вторая стадия кипячения с обратным холодильником с 2,8 N HNO ₃ (200 мл) также в течение 6 часов, затем фильтровали и промывали 5 раз. дистиллированной водой до тех пор, пока pH не достигнет значения 7.После этого продукт сушили в сушильном шкафу при 100 ° C в течение 1 часа, затем продукт с последующей обработкой окислением, этот процесс происходил при 550 ° C в течение 30 минут. Выходы после очистки при различных давлениях смеси газов высокой чистоты 60% Ar-40% H ₂ в течение 5 минут времени горения дуги показаны на рис. 6. Из кривых на рис. 6 видно, что наблюдается заметный разница в выходе между примерно 100 и 350 мбар газовой смеси, используемой при использовании катализатора в приготовлении УНТ, независимо от тока, используемого для дуги.По мере увеличения тока дуги увеличивается и выход. Максимальная разница между выходами с катализатором и без него наблюдается при давлении газа 250 мбар для всех используемых плотностей тока. Хороший диапазон текучести для всех производственных циклов составляет приблизительно от 250 до 400 мбар давления газа.

Рентгеноструктурный анализ обычно используется для получения некоторой информации о расстоянии между слоями, деформации структуры и примесях [18], а также о среднем количестве стенок [19] в УНТ.Основные черты типичной рентгенограммы УНТ близки к характеристикам графита. Профиль дифракции рентгеновских лучей полезен для различения деталей микроструктуры между УНТ и графитом и может помочь определить чистоту образца (например, катализатор, функциональные группы) [18]. На рентгенограмме чистого графита виден острый характерный пик при 26,34 ° 2 θ , который соответствует дифрагированной плоскости (002), с дополнительными небольшими пиками при 42,61 °, 44,831 ° и 54,231 ° [20].Расстояние между графитовыми прослойками в плоскости (002) составляет 0,33 нм. Картина XRD УНТ, выращенных с помощью дугового разряда в этом исследовании, показана на рисунке 7. Основные пики соответствуют плоскости 002 с 2 θ , равным 25,97 °. Таким образом, было обнаружено, что дифракционный сдвиг (002) для этих углеродных нанотрубок смещается от 26,34 ° до 25,97 °, что соответствует расстоянию 0,34 нм. Для МУНТ форма, ширина и интенсивность дифракционного пика (002) изменяются с увеличением диаметра нанотрубки [21].Он может оценить количество средних стенок по вкладу межтрубной структуры (контакты внешней стенки) с внутритрубной структурой (концентрические оболочки) относительно пика (002), поскольку вклад внутритрубной структуры увеличивается линейно с увеличением числа стенок, в то время как вклад не увеличивается. увеличенный, который выглядит немного асимметричным по направлению к меньшим углам. Асимметрия обусловлена ​​наличием различных кристаллических частиц [22]. Диаграммы XRD MWNT, полученных с катализатором и без него, по сравнению с графитом представлены на рисунке 8.

Характерный пик MWNT составляет около 25,97 ° для MWNT с катализатором и без него. Это согласуется с аналогичной работой, опубликованной ранее [23]. Обнаруженная картина может быть отнесена к кристаллическим плоскостям УНТ (002), в то время как (100) и (101) также могут быть отнесены к графену [24]. Однако по сравнению с нормальной рентгенограммой графита самый сильный пик УНТ (002) является широким и ослабленным и показывает небольшой сдвиг вниз до 2 θ = 25,9 ° (для графита 2 θ равно 26.34 °). Уширение указывает на то, что дальний порядок в УНТ ниже, чем в графите. Кроме того, сдвиг вниз на 2 θ для УНТ связан с увеличением расстояния между слоями sp ² C = C [25]. Пик для MWNT становится широким и ослабленным, что можно объяснить высокой кривизной и высокой энергией деформации, обусловленной малым диаметром MWNT. Другие пики при 42,4 ° и 43,98 ° также наблюдаются и соответствуют плоскостям кристаллографии {(100), (100)} [22].

4. Выводы

Использование (1Y ₂ O ₃ , 4Ni и 95C)% мас. катализатор оказал существенное влияние на выход УНТ, полученных методом дугового разряда в атмосфере смеси газов высокой чистоты 60% Ar-40% H ₂ . Автоэмиссионный СЭМ показывает небольшое уменьшение диаметра трубки и постепенное увеличение длины. Выход УНТ значительно увеличился при использовании катализатора от 250 до 400 мбар. Сканирование XRD показывает смещение основных пиков в сторону более низких значений, что указывает на увеличение расстояния между слоями sp ² C = C.Таким образом, очевидно, что оксид иттрия / никель увеличивает как выход, так и длину трубок и дополнительно уменьшает диаметр трубок.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить всех, кто помог сделать эту работу возможной, то есть Технологический университет в Багдаде, который предоставил высокотемпературную лабораторию. Также один из авторов (Мустафа К. Исмаэль) благодарит Министерство науки и технологий / Департамент химических исследований и физики материалов / Исследовательский центр прикладной физики, Багдад, за предоставление химического состава графитовых стержней.Выражаем также благодарность Геологической службе Ирака за поддержку в проведении XRD-теста.

СИНТЕЗ МНОГОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБК, ЗАПОЛНЕННЫХ КАРБИДОМ Вольфрама, ПЛАЗМОЙ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В ОКРУЖАЮЩЕМ ВОЗДУХЕ

1

Н. Арора и Н. Н. Шарма, Diamond Relat. Матер. 50 , 135 (2014). https://doi.org/10.1016/j.diamond.2014.10.001

CAS Статья Google ученый

2

J. Li, X. Cheng, J. Sun и др., J.Прил. Phys. 115 , 164301 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4871290

CAS Статья Google ученый

3

Дж. Ли, Х. Ченг, А. Шашурин, М. Кейдар, Graphene 1 , 1 (2012). https://doi.org/10.4236/graphene.2012.11001

CAS Статья Google ученый

4

Дж. Конг, Н. Р. Франклин, К. Чжоу и др., Science (Вашингтон, округ Колумбия, С.С.) 287 (5453), 622 (2000). https://doi.org/10.1126/science.287.5453.622

5

Р. Х. Боуман, К. Цуй, А. А. Захидов и др., Science (Вашингтон, округ Колумбия, С. С.) 284 (5418), 1340 (1999). https://doi.org/10.1126/science.284.5418.1340

6

А. Конгкананд, Р. Мартинес Домингес и П. В. Камат, Nano Lett. 7 , 676 (2007). https://doi.org/10.1021/nl0627238

CAS Статья Google ученый

7

H.Дай, акк. Chem. Res. 35, , 1035 (2002). https://doi.org/10.1021/ar0101640

CAS Статья Google ученый

8

C. T. Kingston и B. Simard, J. Nanosci. Nanotechnol. 6 , 1225 (2006). https://doi.org/10.1166/jnn.2006.310

CAS Статья Google ученый

9

C. Öncel and Y. Yürüm, Fulleren. Нанотрубки Carbon Nanostruct. 14 , 17 (2006). https://doi.org/10.1080/15363830500538441

CAS Статья Google ученый

10

Y. Su, Y. Zhang, H. Wei, et al., Phys. E (Амстердам, Нет.) 44 , 1548 (2012). https://doi.org/10.1016/j.physe.2012.03.025

11

J. Zhao, L. Wei, Z. Yang, Y. Zhang, Phys. E (Амстердам, Нет.) 44 , 1639 (2012). https://doi.org/10.1016/j.physe.2012.04.010

12

г.Gogotsi, J. A. Libera, M. Yoshimura, J. Mater. Res. 15 , 2591 (2011). https://doi.org/10.1557/JMR.2000.0370

Артикул Google ученый

13

J. B. Bai, A. L. Hamon, A. Marraud и др., Chem. Phys. Lett. 365 , 184 (2002). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)01447-1

CAS Статья Google ученый

14

Н. Пиерард, А.Fonseca, Z. Konya и др. Chem. Phys. Lett. 335 , 273 (2001). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00004-5

Артикул Google ученый

15

X. Fang, A. Shashurin, G. Teel, M. Keidara, Carbon 107 , 273 (2016). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.05.061

CAS Статья Google ученый

16

Ю. А. Ким, Х. Мурамацу, Т.Хаяси, М. Эндо, Углерод 50 , 4588 (2012). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.05.044

CAS Статья Google ученый

17

А.Я. Пак и Ю. Васильева З. Устройство для получения порошка карбида вольфрама. Патент РФ № 191334. Бюл. Изобретения, No22 (2019).

18

А.Я. Пак и Г.Я. Мамонтов, ЖТФ. Phys. Lett. 44 , 615 (2018). https://doi.org/10.1134/S1063785018070234

CAS Статья Google ученый

19

E.Раков Г. Нанотрубки и фуллерены (М., Логос, 2006).

Google ученый

20

L. Fang, L. Sheng, K. An и др., Phys. E (Амстердам, Нет.) 50 , 116 (2013). https://doi.org/10.1016/j.physe.2013.03.005

21

Ю. Су, Х. Вэй, Т. Ли и др., Mater. Res. Бык. 50 , 23 (2014). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2013.10.013

CAS Статья Google ученый

22

Н.Ли, З. Ван, К. Чжао и др., Carbon 48 , 1580 (2010). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.12.055

CAS Статья Google ученый

Связь между наночастицами Ag и ионами Ag, полученными методом дугового разряда

В этом исследовании использовался метод разряда под флюсом (SADM) для получения металлической жидкости, содержащей наночастицы и субмикронные частицы, при этом энергия, сфокусированная электрической дугой, использовалась для дезинтеграции металлическое серебро (Ag) в деионизированной воде (DW).Никаких дополнительных химических веществ на протяжении всего процесса не требовалось, что делало производство быстрым и простым. В этом исследовании предлагается использовать колориметрию для определения взаимосвязи между концентрацией и нано-Ag, а также ионами Ag (Ag ⁺ ) в наноколлоиде серебра (NSC) с определенным коэффициентом разбавления, включая спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой (УФ-видимой) области. и измерение электропроводности. Результаты показали, что активность Ag ⁺ увеличивалась при различных условиях разбавления, показывая тенденцию к увеличению активности с увеличением фактора разбавления.Значения поглощения Ag ⁺ и наночастиц увеличивались со временем, а активность Ag ⁺ увеличивалась почти в два раза после его разбавления. Таким образом, Ag ⁺ и наночастицы продемонстрировали взаимозависимость между собой.

Ссылки

[1] Ван Х, Цяо Х, Чен Дж, Дин С. Получение наночастиц серебра методом химического восстановления. Colloids Surf. Physicochem. Англ. Asp. 2005, 256, 111–115. Искать в Google Scholar

[2] Tak YK, Pal S, Naoghare PK, Rangasamy S, Song JM.Зависимое от формы проникновение наночастиц серебра через кожу: действительно ли это имеет значение? Sci. Rep. 2015, 5, 16908. Искать в Google Scholar

[3] Kvitek L, Prucek R, Panacek A, Novtny R, Hrbac J, Zboril R. Влияние концентрации комплексообразователя на размер частиц в процессе SERS активный синтез коллоида серебра. J. Mater. Chem. 2005, 15, 1099–1105. Искать в Google Scholar

[4] Courrol LC, Silva FRDO, Gomes L. Простой метод синтеза наночастиц серебра путем фото-восстановления. Colloids Surf. Physicochem. Англ. Asp. 2007, 305, 54–57. Искать в Google Scholar

[5] Чжу Дж., Лю С., Пальчик О., Колтыпин Ю., Геданкен А. Синтез наночастиц серебра с контролируемой формой с помощью импульсных соноэлектрохимических методов. Langmuir 2000, 16, 6396–6399. Искать в Google Scholar

[6] Инь Б, Ма Х, Ван С., Чен С. Электрохимический синтез наночастиц серебра под защитой поли (N-винилпирролидона). J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8898–8904.Искать в Google Scholar

[7] Яо Б.Х., Сюй Г.К., Чжан Х.Й., Хань Х. Синтез наносеребра с поливинилпирролидоном (ПВП) микроволновым методом. Подбородок. J. Inorg. Chem. 2010, 26, 1629–1632. Искать в Google Scholar

[8] Рао Ю.Н., Банерджи Д., Датта А., Дас С.К., Гуин Р., Саха А. Путь гамма-облучения к синтезу высокодисперсных наночастиц серебра, покрытых природным полимером. Radiat. Phys. Chem. 2010, 79, 1240–1246. Искать в Google Scholar

[9] Zou J, Xu T, Hou B, Wu D, Sun Y.Контролируемый рост наночастиц серебра в гидротермальном процессе. Подбородок. Particuol. 2007, 5, 206–212. Искать в Google Scholar

[10] Банерджи С., Лоза К., Мейер-Заика М., Примак О., Эппл М. Структурная эволюция наночастиц серебра во время химического синтеза. Chem. Матер. 2014, 26, 951–957. Искать в Google Scholar

[11] Abid JP, Wark AW, Brevet PF, Girault HH. Приготовление наночастиц серебра в растворе из соли серебра с помощью лазерного излучения. Chem. Коммуна . 2002, 7, 792–793. Искать в Google Scholar

[12] Gamez RC, Castellana ET, Russell DH. Золь-гель-производная тонкая пленка с заделанными наночастицами серебра для масс-спектрометрического биосенсирования. Langmuir 2013, 29, 6502–6507. Искать в Google Scholar

[13] Кумар Б., Смита К., Кумбал Л., Дебют А., Патак Р.Н. Сонохимический синтез наночастиц серебра с использованием крахмала: сравнение. Bioinorg. Chem. Прил. 2014a, 784268–784276. Искать в Google Scholar

[14] Чандран С.П., Чаудхари М., Пасрича Р., Ахмад А., Састри М.Синтез нанотреугольников золота и наночастиц серебра с использованием экстракта растения алоэ вера. Biotechnol. Прог. 2006, 22, 557–583. Искать в Google Scholar

[15] Кумар Б., Смита К., Кумбал Л., Дебют А. Зеленый синтез наночастиц серебра с использованием экстракта плодов андской ежевики. Saudi J. Biol. Sci. 2017, 24, 45–50. Искать в Google Scholar

[16] Кашиваги Ю., Ямамото М., Накамото М. Простой синтез наночастиц серебра с регулируемым размером путем контролируемого термолиза алкилкарбоксилатов серебра в присутствии алкиламинов с различной длиной цепи. J. Colloid Interface Sci. 2006, 300, 169–175. Искать в Google Scholar

[17] Tseng K-H, Lee H-L, Tien D-C, Tang Y-L, Kao Y-S. Исследование антибиоактивности наноразмерного коллоида серебра и раствора ионов серебра. Adv. Матер. Sci. Англ. 2014, 2014, 1–6. Искать в Google Scholar

[18] Ценг К. Х., Ли Х. Л, Ляо Ц. И, Чен К. Ц., Лин Х. С.. Быстрый и эффективный синтез наножидкости серебра с использованием электроэрозионной обработки. J. Nanomater. 2013, 2013, 1–6.Искать в Google Scholar

[19] Tseng K-H, Chou C-J, Liu T-C, Haung Y-H, Chung M-Y. Получение композитных наночастиц Ag-Cu методом подводного дугового разряда в водных средах. Jpn. Inst. Встретились. Матер. Пер. 2016, 57, 294–301. Искать в Google Scholar

[20] Ling J, Sang Y, Huang CZ. Визуальное колориметрическое обнаружение гидрохлорида берберина с наночастицами серебра. J. Pharm. Биомед. Анальный. 2008, 47, 860–864. Искать в Google Scholar

[21] Gao M, Lin R, Li L, Jiang L, Ye B, He H, Qiu L.Наночастицы серебра без этикеток для обнаружения энтекавира невооруженным глазом. Spectrochim. Acta A 2014, 126, 178–183. Искать в Google Scholar

[22] Laliwala SK, Mehta VN, Rohit JV, Kailasa SK. Модифицированные цитратом наночастицы серебра в качестве колориметрического зонда для одновременного обнаружения четырех препаратов семейства триптанов. Sens. Приводы B Chem. 2014, 197, 254–263. Искать в Google Scholar

[23] Ма Й, Цзян Л., Мей И, Сонг Р., Тиан Д., Хуанг Х. Колориметрическая стратегия определения ртути (II) и меламина с использованием наночастиц золота, модифицированных цистеамином. Аналитик 2013, 138, 5338–5343. Искать в Google Scholar

[24] Rohit JV, Kailasa SK. Функционализированные цикленом дитиокарбаматом серебряные наночастицы в качестве зонда для колориметрического определения пестицидов тирама и параквата с помощью химии хозяин-гость. J. Nanopart. Res. 2014, 2585, 1–16. Искать в Google Scholar

[25] Лю И, Чжан Л., Вэй В., Чжао Х, Чжоу З, Чжан И, Лю С. Колориметрическое обнаружение вируса гриппа А с использованием функционализированных антителами наночастиц золота. Аналитик 2015, 140, 3989–3995. Искать в Google Scholar

[26] Mau Chien D. Thi My Dung D. Eric F-B. Технология струйной печати и синтез токопроводящих красок для микротехнологий. Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol. 2013, 4, 1–7. Искать в Google Scholar

[27] Tien D-C, Liao C-Y, Huang J-C, Tseng K-H, Lung J-K, Tsung T-T. Новый способ приготовления водной суспензии наносеребра методом дугового разряда. Rev. Adv. Матер. Sci. 2008, 18, 750–756. Искать в Google Scholar

[28] Tseng K-H, Liao C-Y, Huang J-C, Tien D-C, Tsung T-T. Характеристика наночастиц золота в органической или неорганической среде (этанол / вода), полученных методом искрового разряда. Mater. Lett. 2008, 62, 3341–3344. Искать в Google Scholar

[29] Su C-H, Velusamy P, Kumar G-V, Adhikary S, Pandian K, Anbu P. Исследования антибактериальной эффективности различных наночастиц серебра, защищенных биополимерами, синтезированных в условиях рефлюкса. J. Mol. Struct. 2017, 1128, 718–723. Искать в Google Scholar

[30] Bankura KP, Maity D, Mollick MM, Mondal D, Bhowmick B, Bain MK, Chakraborty A, Sarkar J, Acharya K, Chattopadhyay D. Синтез, характеристика и антимикробная активность наночастиц серебра, стабилизированных декстраном в водной среде. Carbohydr. Polym. 2012, 89, 1159–1165. Искать в Google Scholar

[31] Gopinath V, Ali D-M, Priyadarshini S, Priyadharsshini N-M, Thajuddin N, Velusamy P.Биосинтез наночастиц серебра из Tribulus terrestris и его антимикробная активность: новый биологический подход. Colloids Surf. B Биоинтерфейсы 2012, 96, 69–74. Искать в Google Scholar

[32] Огар А., Тылко Г., Турнау К. Противогрибковые свойства наночастиц серебра против роста плесени в помещении. Sci. Total Environ. 2015, 521–522, 305–314. Искать в Google Scholar

[33] Bellotti N, Romagnolia R, Quinteroc C, Dominguez-Wong C, Ruiz F, Deyá C.Наночастицы как противогрибковые добавки к водоразбавляемым краскам для внутренних работ. Прог. Орг. Пальто. 2015, 86, 33–40. Искать в Google Scholar

[34] Tseng K-H, Chiu J-L, Lee H-L, Liao C-Y, Lin H-S, Kao Y-S. Приготовление наножидкостей Ag / Cu / Ti системой искрового разряда и исследование ее управляющих параметров. Adv. Матер. Sci. Англ. 2015, 2015, 1–10. Искать в Google Scholar

[35] Tseng K-H, Kao Y-S, Chang C-Y. Разработка и внедрение микроэлектрической разрядной машины: система мониторинга в реальном времени производства коллоида наносеребра. J. Cluster Sci. 2016, 27, 763–773.