14.1. Источники света

Для фотохимического синтеза требуются источники света с высокой интенсивностью излучения, поглощаемого реагирующими веществами. Выбор источников излучения определяется прежде всего спектром поглощения вступающих в реакцию веществ.

В фотохимических реакторах широко используют вольфрамогало-генные, ртутные, ксеноновые, натриевые лампы, а также вакуумные безэлектродные лампы.

Вольфрамогалогенные лампы накаливания и инфракрасные рефлекторные вольфрамогалогенные лампы - наиболее удобные источники излучения для фотохимических реакций галогениро-вания. Такие лампы содержат в своей колбе небольшое количество иода или брома. Галоген взаимодействует с испаряющимся с нити накаливания вольфрамом, но образующиеся галогениды вольфрама разлагаются на этой нити, восстанавливая ее толщину. Рабочая температура вольфрамовой нити накаливания достигает 2200 - 3000 °С, а ее излучение имеет непрерывный спектр от 200 до 2000 нм с максимумом, приходящимся на 700 -800 нм. В этом интервале лампа излучает 2-5 моль фотонов/ч. Если лампа имеет кварцевую колбу, то значительная часть лучистой энергии отвечает диапазону длин волн 200 - 300 нм.

Ртутные лампы - один из наиболее широко применяемых источников УФ- и видимого света. Они выпускаются трех типов: лампы низкого давления, или "резонансные лампы", лампы среднего и высокого давлений.

Ртутные лампы низкого давления работают при комнатной температуре и давлении пара ртути в колбе лампы порядка 10-3 торр (0,1 Па). Испускаемый ими свет преимущественно имеет длину волны 253,7 нм. Если колба лампы кварцевая, то в спектре излучения появляется полоса при 184,9 нм. Колба или трубка лампы содержит небольшое точно отмеренное количество ртути и аргон. При включении лампы вначале зажигается аргоновая дуга между стартовым и основным электродами, а затем по мере испарения ртути зажигается и ртутная дуга, а стартовая 1 гаснет. Процесс зажигания ртутной дуги длится 5-7 мин в зависимости от температуры окружающей среды.

Интенсивность потока фотонов у ртутной лампы низкого давления при 253,7 нм составляет 1018 фотонов/с. Для питания лампы нельзя использовать напряжение непосредственно от низкоомного источника, так как лампа не будет зажигаться, а ее электроды начнут разрушаться. Для стабильной работы лампы и сохранности электродов включают последовательно с лампой большое омическое сопротивление, а если используют переменный ток, то катушку индуктивности или конденсатор.

Спектр излучения ртутных ламп среднего давления имеет

много линий высокой интенсивности, но интенсивность линии 253,7 нм резко уменьшается. Эти лампы снабжены, как и остальные ртутные лампы, стартовым сопротивлением 5 (рис.324,а).

Рис. 324. Схема ртутной лампы среднего давления (а), внешний вид лампы (б) и кожух охлаждения (в):

в. 1 - латунный кожух; 2 - медные трубки; 3 - держатели лампы; 4 - лампа; 5 - выходное окно

После того как лампа включена в цепь между стартовым электродом 4 и основным электродом 1 включают стартовое напряжение, зажигающее аргоновую дугу между электродами 4 и 1. Энергия, выделяющаяся в форме теплоты при горении аргоновой дуги, вызывает испарение ртути и уменьшение сопротивления между основными электродами 1. Когда это сопротивление падает до нужного значения, вспыхивает ртутная дуга 2. Испарение ртути еще более увеличивается, вся ртуть переходит в пар, и лампа 3 начинает гореть в стационарном режиме.

Внешний вид ртутных ламп среднего давления приведен на рис. 324,б. Трубки 4 этих ламп размещают в охлаждаемом снаружи латунном кожухе 1 (рис. 324,в), имеющем припаянные снаружи медные трубки 2 для охлаждающей воды. Кожух открыт сверху и снизу, а внутри него располагают термометр (на рисунке не показан) для контроля за температурным режимом работы лампы.

Рис. 325. Ртутные лампы высокого давления с водяным (а) и воздушным (б) охлаждением. Распределение ртути в лампе (в):

а, б. 1 - штуцеры; 2 - электрические контакты; 3 - лампа; 4 - охлаждающая рубашка; 5 - электроды; 6 - ртуть

Для удаления из кожуха образующегося озона,сильно поглощающего свет в УФ-области, через него пропускают поток воздуха от небольшого вентилятора (на рисунке не показан).

Кварцевой трубки лампы не следует касаться руками. Жир от пальцев, сгорая на поверхности стекла, уменьшает пропускание света. Грязную поверхность трубки промывают ССl4 или С2Н5ОН и высушивают фильтровальной бумагой.

Наиболее интенсивным источником УФ-излучения является ртутная лампа высокого давления (рис. 325,а). Давление внутри капилляра лампы достигает 100 - 400 атм. Спектр излучения этих ламп близок к сплошному. В связи с тем, что лампы работают при высоких температурах, их непрерывно охлаждают. Минимальный поток воды, потребляемый лампой мощностью 500 - 1000 Вт, составляет 3,5 -4,0 л/мин. Ртутная лампа высокого давления (рис. 325, 6) представляет собой кварцевый толстостенный капилляр 3, с обоих концов которого расположены электроды 5, погруженные в ртуть 6.

Запускать лампы следует в горизонтальном положении, но гореть они будут при любом наклоне. Распределение ртути в лампе очень важно для ее долгосрочной работы. Единственно правильным распределением ртути в капилляре является такое, при котором ее количество у обоих электродов одинаково (рис. 325,в, позиция 1), причем электроды лишь чуть-чуть выступают над поверхностью ртути. Если же в средней части капилляра есть несколько маленьких капель ртути (рис. 325,в, позиция 2), то лампу можно еще зажечь и пользоваться ею.

Когда капля ртути в средней части капилляра велика и даже его перекрывает (рис. 325,в, позиции 3 и 4), то зажечь лампу практически невозможно. Ртуть в этом случае следует перераспределить. Для этого лампу вынимают из охлаждающей рубашки и встряхивают так, чтобы вся ртуть собралась возле ближайшего к оторванной капле конца капилляра. Затем его кладут на ладонь и легким постукиванием по его поверхности добиваются отрыва от капли ртути нескольких маленьких капель, скатывающихся к электроду с небольшим количеством ртути. Эту операцию продолжают до тех пор, пока ртуть не распределится равномерно. 

Ни в коем случае нельзя включать лампу, если около одного из электродов мало ртути или ее вовсе нет. 

Срок службы ртутных ламп высокого давления всего 50-70 ч. Они часто взрываются из-за высокого давления в капиллярях.

Ксеноновые лампы высокого давления. Ксеноновые лампы с давлением в капилляре 20 атм выпускают с двумя и с тремя электродами. Третий электрод нужен для запуска лампы с помощью специального высоковольтного импульсного источника напряжения (12 - 15 кВ). Лампы работают в вертикальном положении, причем катод должен находиться сверху. Сильное линейчатое излучение ксенона расположено в ИК-области спектра | между 800 и 1000 нм. 

Натриевые лампы высокого давления имеют корпус 3 (рис.326,а,6), изготовленный из корунда - затвердевшего расплава Al2O3, поскольку этот оксид не вступает в химическое взаимодействие с натрием при высоких температурах и давлении, а стекло, полученное из расплавленного корунда, лишено мелких пор. Натриевая лампа выдерживает нагрев до 1300 °С и обладает высокой светопропускаемостью в видимой области спектра. I Лампа содержит в резервуаре 4 (рис. 326,f,6) амальгаму натрия, | а в корпусе 3 - ксенон, который выполняет роль "стартового" 1 газа. Запуск лампы проводят при помощи устройства, дающего I высоковольтные низкоэнергетические импульсы, ионизирую- В щие ксенон. Амплитуда импульса должна достигать 2500-3000 В, а длительность 1 мкс. После того как возникла ксеноновая дуга, начинается разогрев лампы и подача импульсов прекращается. С разогревом лампы все большее количество пара натрия попадает через окна 6 в корпус 3 и принимает участие в дуговом разряде.

Наибольшая мощность лампы приходится на интервал длин волн от 570 до 650 нм. Натриевые лампы высокого давления выпускают мощностью от 100 Вт до 1 кВт и сроком службы от 14000 до 20000 ч. Они являются одним из самых эффективных источников видимого излучения и обладают самой высокой световой отдачей среди всех газоразрядных ламп. 

Рис. 326. Схема конструкции(в) и устройство цокольной части (6) натриевой лампы типа "Люксалокс": а, б: 1 - колпачок из ниобия; 2 -вольфрамовый электрод; 3 - корундовый корпус; 4 - амальгамный резервуар; 5 - ртутно-натриевая амальгама; б - отверстия

Рис. 327. Схема безэлектродной лампы: 1 - сосуд Дьюара; 2 - геттер; 3 - разрядная трубка с криптоном; 4-разрядная камера; 5- микроволновой генератор; б - окно из LiF

Вакуумные безэлектродные лампы для генерации УФ-излучения наполнены небольшим количеством криптона или другого газа и содержат геттер 2 (рис. 327) - газопоглотитель, способный поглощать примеси газов, кроме благородных. Максимум излучения криптоновых ламп приходится на полосу при 123,6 нм. Газоразрядную трубку 3 лампы изготавливают из кварца или стекла марки "викор" . Газоразрядную камеру 4 присоединяют к СВЧ-генератору 5 с частотой 2500 - 3000 МГц мощностью 125 - 150 Вт. При малых мощностях лампу зажигают от индукционной катушки.

Вакуумные безэлектродные лампы дают довольно монохроматическое излучение высокой интенсивности порядка 1014 фотонов/с. Максимумы интенсивности излучения: у трубок с Хе - 147 нм, с Не - 58,4 нм, с Н2 - 121,6 нм.

 

К оглавлению