Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Исупов Михаил Витальевич

Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа
<
Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа
>

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Исупов Михаил Витальевич. Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.14 Новосибирск, 2006 112 с. РГБ ОД, 61:06-1/964

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Экспериментальная установка. методики измерений

Принцип генерации НИРТТ 17

Динамические характеристики магнитопроводов 22

Методика определения оптимальных параметров трансформаторного газоразрядного устройства

Экспериментальные установки. Методика эксперимента 29

Экспериментальные установки для исследования НИРТТ в смеси инертного газа и паров ртути.

Экспериментальные установки для исследования НИРТТ в инертных газах (неон, ксенон).

Экспериментальные установки для исследования спектральных 35

характеристик НИРТТ

Глава 2 Электрокинетические и излучательные характеристики ниртт в парах ртути

Глава 3 Электрокинетические характеристики НИРТТ в парах ртути 39

Излучательные характеристики НИРТТ в парах ртути 43

Методика анализа экспериментальных результатов 53

Общая картина баланса энергии в столбе разряда 53

Условия применимости стандартных моделей газовых разрядов 57

Термические разряды 58

П-образная каналовая модель осесимметричного дугового разряда 60

Анализ электрокинетических характеристик НИРТТ в парах ртути 63

Анализ излучательных характеристик НИРТТ в парах ртути 65

Электрокинетические, излучательные и спектральные характеристики ниртт в инертных газах электрокинетические характеристики НИРТТ в неоне 72

Излучательные характеристики НИРТТ в неоне 76

Анализ электрокинетических характеристик плазмы НИРТТ в неоне 81

Анализ спектральных характеристик НИРТТ в неоне 84

Электрокинетические и излучательные характеристики НИРТТ в ксеноне

Глава 4 Электрокинетические, излучательные и спектральные характеристики ниртт в парах кадмия

Заключение 102

Выводы 104

Литература

Введение к работе

Получение низкотемпературной плазмы посредством применения индукционного способа генерации газового разряда является одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности и срока службы газоразрядных устройств и генераторов низкотемпературной плазмы, а также получения сверхчистой плазмы (в том числе и в атмосфере агрессивных плазмообразующих веществ). Актуальность данной задачи обусловлена активным применением низкотемпературной плазмы во многих отраслях науки и промышленности: в микроэлектронике и полупроводниковой промышленности, в плазмохимии, при утилизации токсичных отходов, в коммунальном хозяйстве (освещение), для медицинских целей и т.д. В частности, наиболее распространенным и массовым способом применения низкотемпературной плазмы являются газоразрядные источники света, используемые как для освещения, так и во множестве других сфер (УФ обеззараживание воды и воздуха, фотохимический синтез и обработка поверхности материалов, научные исследования и т. д.) Таким образом, результаты исследований в области индуктивно-связанных газовых разрядов имеют важное значение для решения как фундаментальных, так и прикладных проблем приложений физики низкотемпературной плазмы.

Основным преимуществом индукционного принципа генерации плазмы перед "традиционным" - дуговым способом является отсутствие разрушающихся узлов -электродов, благодаря чему срок службы газоразрядного устройства возрастает более чем на порядок. Особенно остро проблема повышения срока службы проявляется при эксплуатации мощных газоразрядных устройств (плазмотронов и газоразрядных ламп), поскольку срок службы электродов в условиях больших тепловых нагрузок и высоких плотностей тока на поверхности электрода исчисляется всего лишь сотнями часов. Помимо существенного увеличения срока службы, использование индукционного принципа генерации разряда открывает новые возможности для получения сверхчистой плазмы, в том числе и агрессивных веществ и соединений, что особенно важно для полупроводниковой промышленности, а также при плазмохимической утилизации токсических отходов.

Существует несколько различных способов генерации индукционного разряда, различающихся как по конструкции индуктора и газоразрядной камеры, так и по частотному диапазону генерации разряда. Высокочастотные индукционные разряды (ВЧ-Н разряды), генерируемые на частотах -1-10 МГц и выше, очень хорошо изучены,

подробно описаны в литературе и широко применяются в настоящее время на практике. В отличие от ВЧ-Н разрядов, низкочастотные индукционные разряды трансформаторного типа (НИРТТ, в иностранной литературе используется термин Transformer Coupled Toroidal Induction Discharges) изучены в гораздо меньшей степени.

Следует отметить, что разделение индукционных разрядов на "высокочастотные" и "низкочастотные" в данном случае достаточно условно, поскольку генерация как НИРТТ, так и ВЧ-Н разрядов может осуществляться в очень широком диапазоне частот. Однако эффективная генерация индукционного разряда трансформаторного типа возможна уже на частотах звукового диапазона (-10 кГц), тогда как ВЧ-Н разряд в данном случае имеет очень невысокую эффективность (более 90% от вкладываемой мощности теряется на нагрев индуктора). Очевидно, что генерация индукционных разрядов в низкочастотном радиодиапазоне (10-200 кГц) имеет ряд существенных преимуществ перед ВЧ индукционными разрядами мегагерцового диапазона: существенно снижается себестоимость источников питания, уменьшается уровень излучаемых радиопомех. Кроме того, использование мапштопроводов позволяет увеличить коэффициент связи между нагрузкой (плазмой) и источником питания. Таким образом, возможность эффективной генерации безэлектродного разряда при сравнительно невысоких частотах тока открывает новые пути для создания различных газоразрядных устройств (плазмохимических реакторов, газоразрядных источников света), обладающих высоким КПД, "неограниченным" ресурсом работы, а также позволяющих получать сверхчистую плазму.

Анализ литературных данных показывает, что большая часть работ посвящена экспериментальным исследованиям НИРТТ в атмосфере инертных и молекулярных газов, с целью создания безэлектродных плазмотронов и плазмохимических реакторов. Гораздо меньшее количество работ посвящено проблематике исследования НИРТТ в парах металлов и инертных газах, с целью разработки новых эффективных безэлектродных источников света.

Поэтому целью настоящей работы является получение новых данных и исследование наиболее важных характеристик низкочастотных индукционных разрядов трансформаторного типа, генерируемых в смеси паров металлов (ртуть, кадмий) с инертными газами и в чистых инертных газах (неон, ксенон), а именно, изучение:

- электрокинетических свойств разряда;

излучательпых свойств (зависимость выхода излучения в УФ и видимой области спектра от условий "горения" разряда);

спектральных характеристик (диагностика плазмы оптическими методами).

возможности применения существующих стандартных моделей газовых разрядов к анализу и расчету параметров НИРТТ;

- условий применимости данных моделей.
чная новизна:

  1. В работе получены новые экспериментальные данные о зависимости напряженности электрического поля в низкочастотном индукционном разряде трансформаторного типа от определяющих параметров, таких как давление плазмообразующего газа, сила ток разряда, диаметр газоразрядной колбы, а также частота тока. Показано, что стандартная П-образная модель осесимметричных дуговых разрядов постоянного тока может быть применена для расчета электрокинетических характеристик ртутно-аргонового НИРТТ при давлениях паров ~10 кПа и выше.

  2. Обнаружен и проанализирован эффект увеличения напряженности поля в неоновом индукционном разряде трансформаторного типа, при увеличении частоты тока от 25 до 250 кГц.

  3. Получены новые экспериментальные данные об излучательпых характеристиках ртутно-аргонового НИРТТ в широком диапазоне условий горения разряда: давлений паров ртути в диапазоне 0.1-40000 Па, силы тока разряда 1-260 А, диаметров разрядной камеры 20-75 мм. Впервые получены экспериментальные данные об излучательпых характеристиках НИРТТ в неоне, ксеноне, смеси паров кадмия с аргоном. Показано, что наблюдаемые зависимости излучательпых характеристик от силы тока разряда, давления плазмообразующего газа и диаметра качественно совпадают с аналогичными зависимостями для дуговых разрядов постоянного тока. Проанализированы возможные причины количественных отклонений, а также наблюдаемый эффект уменьшения выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ при увеличении мощности разряда.

  4. Впервые получены данные о спектральных характеристиках НИРТТ в неоне и смеси паров кадмия с аргоном, в частности данные о пространственной структуре разряда. На основе полученных данных рассчитан ряд параметров

плазмы разряда, рассмотрено влияние геометрии разрядной камеры на пространственную структуру разряда.

Практическая значимость результатов:

  1. Предложена методика оптимизации конструкции безэлектродного газоразрядного источника света, работающего на принципе НИРТТ.

  2. Определены оптимальные условия генерации НИРТТ в парах ртути и в неоне, соответствующие максимальному выходу излучения как в УФ, так и видимой области спектра.

  3. Подтверждена возможность использования стандартной П-образной модели осесимметричных дуговых разрядов постоянного тока к расчету параметров НИРТТ в парах ртути, что дает возможность проектировать безэлектродные газоразрядные лампы с заданными параметрами.

  4. На основании выполненных исследований разработаны и изготовлены:

опытно-экспериментальный образец ртутной безэлектродной лампы мощностью 3 кВт;

опытно-экспериментальные образцы неоновых безэлектродных ламп мощностью от 100 до 500 Вт;

образцы безэлектродных УФ ламп низкого давления, мощностью 50-200

Вт. Выполнены тестовые испытания, результаты которых показали высокую эффективность разработанных безэлектродных ламп. Фотографии экспериментальных образцов показаны в Приложении.

Достоверность полученных результатов достигается использованием стандартных методик измерения электрокинетических, излучательных и спектральных характеристик разряда; калибровкой и поверкой используемой аппаратуры; проведением многократных экспериментальных исследований НИРТТ для фиксированного режима горения разряда (проверка воспроизводимости результата).

Автор защищает:

1. Методику определения оптимальных параметров безэлектродного газоразрядного устройства.

  1. Результаты экспериментального исследования электрокинетических характеристик низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа.

  2. Обнаруженный эффект возрастания напряженности электрического поля в неоновом индукционном разряде трансформаторного типа с увеличением частоты тока.

  3. Результаты экспериментального исследования излучательных характеристик низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа в парах ртути и кадмия, в инертных газах неон и ксенон.

  4. Обнаруженный эффект уменьшения выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ (404.6, 435.8, 546.1 нм), при увеличении мощности разряда.

  5. Результаты исследования спектральных характеристик НИРТТ в неоне и парах кадмия.

Работа выполнена в лаборатории Радиационного теплообмена Института Теплофизики СО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ за период 2000-2005 г. по темам "ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ" (Гос. per. 01.2.00 103362), "ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В РАБОЧИХ ТЕЛАХ И МАТЕРИАЛАХ ЭНЕРГЕТИКИ" (Гос. per. 0120.0 408647) а также при поддержке Научно-Образовательного Центра "Плазма" (Петрозаводский Государственный Университет, проект PZ-013-02).

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах:

III, IV International conference «Plasma physics and plasma technology». Minsk. (2000,2003).

XXXIX, XL Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск. (2001,2002).

Всероссийская научная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Петрозаводск. (2001,2004).

Всероссийская летняя школа-семинар молодых ученых, студентов и аспирантов "Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы". Петрозаводск. 2003.

VII, VIII Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Новосибирск. (2002,2004).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 в реферируемых журналах, 9 в материалах и трудах конференций.

Личный вклад соискателя: Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Автор формулировал и принимал участие в постановке задач, их экспериментальном решении и обсуждении. Ему принадлежит обобщение полученных результатов, выявление закономерностей и формулировка основных выводов.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения с фотографиями экспериментальных образцов безэлектродных ламп. Объем диссертации составляет 112 стр., включая 44 рисунка.

Методика определения оптимальных параметров трансформаторного газоразрядного устройства

Для исследования электрокинетических и излучательньгх характеристик НИРТТ в инертных газах использовалась экспериментальная установка № 3, схема которой представлена на рис. 1.9. Диаметр кварцевой газоразрядной колбы 1 в различных экспериментах варьировался от 20 до 58 мм; сечение магнитопровода 2 - от 5 до 20 см2; число витков первичной обмотки 3 - от 1 до 5. Для генерации разряда применялись источники питания 4 с частотой тока 25 и 250 кГц.

Газоразрядная колба 1 посредством откачных трубок 5 присоединялась к газовой линии б, что позволяло в ходе эксперимента изменять давление газа. Для измерения давления использовался вакуумметр ILMVAC PIZA 111 7, позволяющий измерять давление в диапазоне от 0.1 Па до 100 кПа, с относительной погрешностью измерений не более 10 %. Напряжение и ток разряда измерялись при помощи дополнительного витка 8 и трансформатора тока 9 соответственно, с погрешностью не более 3%. Для регистрации излучения разряда в видимой области спектра использовался цифровой люксметр ТКА-01/3. Для измерения полного потока излучения разряда использовался ИМО-2Н в комбинации с "водяным" светофильтром (10). Откачка системы производилась при помощи форвакуумного насоса 11.

Для выполнения спектроскопических исследований плазмы индукционного разряда трансформаторного типа использовались программно-аппаратные комплексы управления спектрометрическими измерениями, разработанные в Петрозаводском государственном университете на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники [18]: программно-аппаратный комплекс "СВЕТ" и измерительный стенд спектроскопии высокого разрешения "СПЕКТР-М".

Блок-схема аппаратного комплекса "СВЕТ" представлена на рис. 1.10. Основные элементы комплекса: 1 - система управления и сбора информации на основе модульной системы САМАС и персонального компьютера; 2 - спектрометр ДФС-12, работающий по принципу двойного монохроматора; 3 - фотоэлектронный умножитель ФЭУ-106, подключенный к выходной щели монохроматора; 4 - оптическая осветительная система (линза + поворотное зеркало), формирующая изображение источника света на диафрагмированной входной щели спектрометра; 5 - блок пространственного сканирования (система зеркал, передвигаемая шаговым двигателем в горизонтальной плоскости); 6- объект исследования (газоразрядный источник света).

Данная установка позволяет регистрировать спектры пространственно-неоднородных излучающих объектов, сохранять результаты с подробной информацией о параметрах эксперимента, проводить анализ энергетических характеристик излучения в спектральном диапазоне 360-800 им.

Предметом исследования являлась индукционная неоновая лампа, работающая по принципу индукционного разряда трансформаторного типа, со следующими параметрами (схема лампы представлена на рис. 1.10): наружный радиус тора 8 см, внутренний радиус тора 4 см, внутренний радиус газоразрядной трубки Rk « 17.5 мм, периметр газоразрядной колбы по средней линии L=2nRj 3S см), давление неона внутри газоразрядной колбы - 1 мм. рт. ст. Также проводились исследования спектральных характеристик индукционного разряда в смеси паров кадмия и аргона. Внутренний радиус газоразрядной трубки индукционной кадмиевой лампы составляет 10 мм, периметр камеры - 52 см. Газоразрядная камера заполнена аргоном при давлении 1 мм. рт. ст., и небольшим количеством кадмия.

Генерация индукционного разряда в неоне и в парах кадмия осуществлялась на частоте 250 кГц. В ходе измерения спектральных характеристик разряда также измерялись ток и напряжение горения разряда (с погрешностью не более 3%), температура стенки газоразрядной колбы (с погрешностью не более 1 С). При измерении спектральных характеристик индукционная лампа устанавливалась вертикально, спектры и профили яркости измерялись в сечении газоразрядной трубки А-В. За нулевую точку принималась точка О, лежащая на средней линии тора. Погрешность измерения абсолютных значений спектральной энергетической яркости составляла не более 5-10%.

На рисунке 1.11 представлена схема измерительного стенда спектроскопии высокого разрешения "СПЕКТР-М", предназначенного для проведения исследований формы контуров спектральных линий. Стенд собран по стандартной схеме спектрометра 1 (ИПС-51) с интерферометром Фабри-Перо 2 (ИТ-28). Выделенный участок исследуемого газоразрядного источника света 3 расположен в фокальной плоскости линзы Z/. Второй объектив І2 сфокусирован на плоскость Y диафрагмированной входной щели спектрографа. Выходная щель спектрографа подключена к фото-электронному умножителю 4, сигнал с которого подавался на вход АЦП и записывался на компьютере 5.

Поскольку пропускание интерферометра для монохроматической волны X, падающей под углом р к нормали к зеркалам, определяется выражением [19] где Т- коэффициент пропускания зеркала, R - коэффициент отражения, d- расстояние между зеркалами, в плоскости Y формируется система интерференционных колец, описываемых выражением (1.4.1), где (p=rlF (г-радиус, F-фокусное расстояние). Выделив с помощью диафрагмы малого радиуса световой поток в центральной области ()=0), и изменяя линейно с течением времени параметр dIX, фиксируем периодический сигнал P (t), причем период сигнала Д/ соответствует постоянной интерферометра AX=X2/2d. Для монохроматического излучения фиксируемый сигнал Р соответствует аппаратной функции интерферометра; при наличии уширения линии фиксируемый сигнал является "сверткой" контура спектральной линии и аппаратной функции.

Экспериментальные установки для исследования НИРТТ в инертных газах (неон, ксенон).

В предыдущей работе [10] было отмечено уменьшение световой отдачи НИРТТ в видимую область спектра при удельных мощностях свыше 80 Вт/см и давлении паров ртути -10 кПа, однако более детальной информации о перераспределении энергии в спектре излучения приведено не было. Согласно же литературным данным [22], световая отдача дугового ртутного разряда с увеличением мощности (при фиксированном давлении) должна непрерывно возрастать, стремясь к своему предельному значению.

На следующем рисунке (2.7) представлена зависимость световой отдачи НИРТТ от давления паров ртути, при фиксированном токе разряда. Также на рисунке 2.7 для сравнения приведена зависимость световой отдачи дуговых ртутных ламп (1=4 A, Z =27 мм, [21]). Из рис. 2.7 видно, что в диапазоне давлений паров ртути 0.1 - 10 Па увеличение давления приводит к увеличению световой отдачи разряда. Максимум световой отдачи в области низких давлений паров ртути наблюдается при давлении -10 Па, и составляет 20-30 Лм/Вт. В диапазоне давлений -10-1000 Па световая отдача уменьшается. При дальнейшем повышении давления световая отдача НИРТТ начинает быстро возрастать. Следует отметить, что при давлении -2-3 кПа свойства разряда качественным образом изменяются - возникает так называемый эффект контрагирования газового разряда. Разряд, заполнявший при низких давлениях все сечение газоразрядной колбы, начинает стягиваться в ярко светящийся шнур. Таким образом, момент появления контрагировашюго разряда с хорошей точностью совпадает с началом роста световой отдачи.

На рис. 2.8 представлена зависимость выхода излучения в УФ область спектра (280—400 нм) от давления паров ртути при фиксированных значениях тока разряда. Также на рис. 2.8 представлена аналогичная зависимость для дуговых ртутных разрядов (диаметры газоразрядных трубок 10-20 мм, при мощности разряда от 30 до 100 Вт/см, по данным работы [23]). Анализ результатов, представленных на рисунках 2.7, 2.8 показывает, что КПД нерезонансных линий УФ и видимой областей спектра излучения НИРТТ одинаковым образом зависит от давления паров ртути и диаметра газоразрядной трубки: существует область давлений паров ртути ( 10 Па), соответствующих локальному максимуму эффективности НИРТТ; переход от низких давлений к высоким сопровождается увеличением выхода излучения в УФ и видимой областях спектра; увеличение диаметра газоразрядной трубки также приводит к увеличению эффективности разряда. Полученные результаты качественно согласуются с характеристиками дуговых ртутных разрядов, описанных в литературе [21,22,23].

В отличие от нерезонансных линий ртути, излучение резонансной линии 253.7 нм (переход 6 Pi—6 So) существенным образом зависит как от давления паров ртути, так и от мощности разряда.

На рис. 2.9 представлена зависимость выхода излучения в резонансную линию 253.7 нм от давления паров ртути, при фиксированном токе разряда. Как видно из рисунка, КПД резонансной линии быстро возрастает при увеличении давления паров ртути, и достигает своего максимального значения при давлении 1 Па. Дальнейший рост давления приводит к быстрому спаду эффективности резонансной линии; в отличие от нерезонансных линий (рис. 2.7, 2.8), в области средних давлений эффективность линии 253.7 нм не возрастает. Наибольший интерес представляет область давлений -0.5-1.5 Па, где в резонансную линию излучается до 60-70% от вкладываемой в разряд электрической мощности, благодаря чему ртутные разряды низкого давления являются высокоэффективными источниками УФ излучения и широко применяются на практике.

Помимо давления паров ртути, выход излучения в резонансную линию также существенным образом определяется силой тока разряда. Как видно из рисунка 2.9, увеличение плотности тока приводит к быстрому уменьшению выхода излучения в резонансную линию.

Одним из основных недостатков использования ртути в газоразрядных лампах низкого давления является достаточно большая упругость насыщенных паров ртути. Так, оптимальное значение давления ( 1 Па), соответствующее максимальному выходу резонансной линии, достигается при температуре 40 С. При повышении температуры до 70 С давление паров увеличивается в 7 раз и эффективность уменьшается в два раза. Это обстоятельство существенно затрудняет разработку высокоэффективных ртутных ламп низкого давления большой мощности, способных работать в широком температурном диапазоне. В настоящее время, для решения этой проблемы в качестве наполнения газоразрядных ламп вместо чистой ртути используются различные ртутные амальгамы.

Ртутная амальгама представляет твердый сплав нескольких различных металлов и ртути. Отличительной особенностью амальгам является слабая зависимость давления насыщенных паров ртути от температуры амальгамы, что существенно расширяет возможности при конструировании ртутных газоразрядных ламп низкого давления.

В данной работе проводились исследования электрокинетических и излучательных характеристик НИРТТ с применением трехкомпонентной амальгамы следующего состава: 90%Hg+5%Ag+5%Hg. На рис. 2.10 представлена зависимость энергетического КПД резонансной линии от температуры стенки газоразрядной колбы, для нескольких различных токов разряда. Также, для сравнения, на рисунке 2.10 показана аналогичная зависимость для НИРТТ с ртутным наполнением. Как видно из рисунка, при использовании ртутной амальгамы максимум выхода резонансного излучения смещается в область более высоких температур, при этом существенно расширяется диапазон рабочих температур. Таким образом, использование ртутных амальгам позволяет создавать высокоэффективные источники УФ излучения, способные работать в широком диапазоне внешних условий.

Условия применимости стандартных моделей газовых разрядов

Как уже было упомянуто выше, наблюдаемые зависимости излучательных характеристик НИРТТ в парах ртути от условий горения разряда качественно соответствуют аналогичным зависимостям для дуговых ртутных разрядов. В частности, зависимость выхода излучения в резонансные и нерезонансные линии от давления паров ртути полностью укладывается в рамки предложенной Б.Н. Клярфельдом общей картины энергетического баланса разряда дугового разряда.

Аналогичным образом, наблюдаемые зависимости излучательных характеристик от силы тока разряда и диаметра газоразрядной колбы также хорошо описываются изложенными в параграфе 2.3.1 общими закономерностями. Таким образом, наблюдаемое качественное совпадение излучательных характеристик НИРТТ в парах ртути с характеристиками дуговых разрядов является одним из подтверждений справедливости предложенного в работе [13] подхода к рассмотрению НИРТТ как аналога дуги.

Тем не менее, при качественной схожести общей картины энергетического баланса, в ряде случаев наблюдаются как существенные количественные различия между величинами КПД дуговых ртутных источников света и НИРТТ, так и появление новых, ранее не описанных эффектов. Очевидно, что эти различия определяются различиями в условиях горения разрядов - и прежде всего мощностью разряда, диаметром колбы. Так, экспериментальная установка № 1 позволяла исследовать характеристики ртутного разряда при условиях, недоступных в "обычных" дуговых лампах - при мощностях до 500 Вт/см и значительно большем (в 2-3 раза) диаметре колбы.

Рассмотрим влияние мощности разряда на КПД излучения при фиксированном давлении паров ртути (рассматриваются разряды среднего и высокого давления, для которых процессом амбиполярной диффузии можно пренебречь). Из выражения (2.3.4) получаем:

Реальный КПД дуговых ртутных ламп, согласно [22], определяется выражением вида гісуМ а(\-РтІР), где коэффициент а 0.65 обусловлен поглощением части излучения разряда (в т. ч. и нерезонансного) как парами ртути, так и стенками колбы.

В случае разрядов высокого давления величина Рт, согласно [21], слабо зависит от мощности разряда (в первом приближении ее можно считать постоянной величиной, для более точных расчетов в литературе дана аппроксимация вида Рт-Рх 4). Поэтому увеличение мощности разряда должно приводить к увеличению КПД, вплоть до некоторого предельного значения. Выводы теории были проверены Эленбаасом для ртутных трубчатых ламп ВД в диапазоне мощностей 20-100 Вт/см, давлений -1 атм. Результаты его исследований подтверждают выводы теории.

Анализ представленных на рис. 2.5, 2.6 данных показывает: с ростом мощности разряда КПД НИРТТ возрастает, стремясь к некоторой предельной величине. При давлении паров ртути 1-2 кПа тепловые потери в разряде велики, вследствие чего максимум КПД достигается при больших удельных мощностях разряда ( 150-200 Вт/см). При давлении паров ртути 25 кПа величина Рт составляет -10 Вт/см, а максимум выхода излучения в спектральные линии достигается в диапазоне мощностей разряда 50-100 Вт/см.

Однако, было обнаружено, что зависимость выхода излучения в спектральную линию от мощности НИРТТ также определяется потенциалом возбуждения данной линии. Так, для видимого триплета 404.6, 435.8, 546.1 нм был обнаружен ярко выраженный эффект уменьшения выхода излучения при мощности разряда Р 50 Вт/см (рис. 2.5.а). Характерной особенностью данного триплета является наиболее низкий потенциал возбуждения (7.73 эВ) после резонансных линий (4.88 эВ для линии 253.7 нм). Эффект уменьшения выхода излучения в спектральные линии с потенциалом возбуждения 8.85 эВ (312.6/313.2, 365.0/366.3, 577.0/579.1 нм) при давлении паров 25 кПа выражен на порядок слабее. Для линий с потенциалом возбуждения 9.56 эВ (265.2, 302.8/303.6 нм) данный эффект обнаружен не был.

Впервые эффект уменьшения световой отдачи НИРТТ с увеличением мощности разряда, при давлении паров ртути 10 кПа, был описан в работах [10,26]. Согласно предложенному в работе [26] объяснению, уменьшение световой отдачи НИРТТ с увеличением мощности обусловлено увеличением радиуса разрядного канала Яэфф и, в соответствии с формулой (2.3.14), увеличением тепловых потерь Р-р. Однако в этом случае эффект уменьшения выхода излучения должен наблюдаться и для всех остальных нерезонансных линий видимой и УФ областей спектра, чего не происходит. Поэтому необходимо рассмотреть другие возможные механизмы возникновения данного явления.

Как известно, помимо видимого и УФ диапазонов спектра, ртутный дуговой разряд ВД излучает и в инфракрасной области (1000-1700 нм) в спектральные линии с потенциалами возбуждения 9.5-10 эВ. Доля ИК излучения в общем балансе ртутного разряда может составлять до 10-11% от вкладываемой в разряд электрической мощности [22]. Поскольку увеличение мощности НИРТТ приводит к повышению температуры плазмы то, соответственно, должно происходить перераспределение заселенности возбужденных уровней и увеличение выхода излучения в линии ИК области спектра. К сожалению, использовавшаяся регистрирующая система МДР-23 + ФЭУ-100 не позволяла регистрировать ИК спектр, поэтому экспериментально данное предположение не проверялось.

Вторым важным качественным отличием, наблюдаемым для НИРТТ с большим диаметром колбы, является быстрое возрастание световой отдачи с ростом давления паров ртути. Как видно из рисунка 2.7, уже при давлении паров ртути 30 кПа световая отдача НИРТТ с диаметром колбы 75 мм составляет 70 Лм/ Вт, что достаточно близко к известному пределу световой отдачи дуговых ртутных разрядов (-85 Лм/Вт, [22]). Следует отметить, что значения световой отдачи 80-85 Лм/Вт для газовых разрядов в трубках с диаметром 20 мм могут быть получены только при давлениях паров ртути свыше 1 атмосферы. Подобная зависимость, согласно выражению (2.3.3), может быть объяснена тем, что с увеличением диаметра газоразрядной трубки (при фиксированном давлении) разница между электронной и газовой температурой уменьшается. Соответственно, уменьшаются доля объемных потерь на упругие соударения. Поскольку в рамках стандартной П-образной модели каналового разряда проверка данного предположения не может быть выполнена, необходимо обратиться к результатам расчетов в рамках более сложных моделей.

С целью анализа данного эффекта была рассмотрена работа [27]. В работе описана самосогласованная модель ртутного разряда среднего давления (1-50 кПа), учитывающая неравновесность плазмы разряда и позволяющая рассчитывать напряженность электрического поля, радиальные распределения возбужденных и заряженных частиц, радиальные профили электронной и газовой температуры. В основе данной модели лежит анализ уравнений баланса возбужденных и заряженных частиц в разряде с учетом различных элементарных процессов.

На рис. 2.12, 2.13 показаны основные зависимости характеристик ртутного разряда от давления паров ртути и радиуса газоразрядной колбы, полученные авторами работы [27] с помощью численного решения изложенной в работе системы уравнений. На рис. 2.13 представлена зависимость Те и Тг от диаметра колбы при фиксированном давлении. Видно, что уменьшение диаметра газоразрядной колбы действительно приводит увеличению отрыва электронной температуры от температуры газа. Авторы работы [27] объясняют этот факт увеличением потока тепла Рт с уменьшением диаметра колбы.

Анализ электрокинетических характеристик плазмы НИРТТ в неоне

Кадмиевый разряд низкого давления может являться высокоэффективным источником УФ-излучения. Так, например, КПД преобразования электрической мощности в мощность резонансного излучения линий 222.8 нм и 326.1 нм может достигать 80% [35]. В связи с этим, исследование индукционного кадмиевого разряда представляет как научный, так и практический интерес, поскольку это открывает возможность создания безртутных индукционных УФ-ламп.

На рисунке 4.1. приведена вольтамперная характеристика кадмиевого индукционного разряда для двух давлений паров кадмия. Как видно из рисунка 4.1, зависимость напряженности поля в кадмиевом разряде от плотности тока аналогична зависимости для НИРТТ в неоне (рис. 3.2) - напряженность Е с ростом тока уменьшается, вплоть до значений тока разряда 4 А (плотностей тока 1 А/см2), после чего остается практически постоянной. Небольшое увеличение Е было отмечено лишь при J 3 А/см (не показано на графике в виду увеличения погрешности эксперимента из-за нестабильности температурного режима колбы, определяющего давление паров кадмия).

На рисунке 4.2 приведен характерный спектр излучения кадмиевого разряда в видимой области спектра при давлении паров кадмия порядка 2-10"2Па (давление аргона бОПа, внутренний диаметр трубки 22 мм). Поскольку область спектральной чувствительности применявшегося для измерения спектральных характеристик спектрометра ДФС-12 лежит в диапазоне 358-820 нм, на данном этапе работы не представлялось возможным вести спектральные измерения в ультрафиолетовой области спектра, где находятся резонансные линии кадмия 222.8 им и 326.1 нм. Тем не менее, были исследованы интегральные зависимости УФ-излучения кадмиевого разряда в зависимости от мощности разряда и давления паров кадмия, в спектральном диапазоне 300-400 нм. Результаты представлены на рисунке 4.3. Как видно из рисунка, увеличение плотности тока приводит к существенному уменьшению выхода излучения в УФ диапазон 300-400 нм. Это обусловлено тем, что при низких давлениях паров кадмия (0.1-1 Па) основное излучение в данном спектральном диапазоне сосредоточенно в резонансной линии 326.1 нм.

Исследование спектральных характеристик индукционного разряда в парах кадмия производилось для токов разряда 5-15А (плотность тока 1.2-3.6 А/см ). Измерялись как профили яркости отдельных спектральных линий, так и полный спектр разряда (в диапазоне 360-800 нм) в различных точках газоразрядной колбы. На рисунке 4.4 представлены некоторые измеренные поперечные профили яркости h(x) различных линий кадмия (для плотности тока JCfr 2 А/см2). Исследовались профили яркости линий 5s6s-5s5p (линии 467.8, 478 и 508.6 нм с потенциалами возбуждения 6.39 эВ).. Как видно из рисунка, для тороидального индукционного разряда в парах кадмия при низком давлении, помимо асимметрии профиля яркости, наблюдается также существенный спад яркости в центральной части колбы. Качественно этот спад может быть объяснен механизмом радиальной "откачки" кадмия вследствие процессов амбиполярной диффузии.

Измеренные интенсивности излучения спектральных линий кадмия также позволяют рассчитать заселенности возбужденных уровней. Результаты расчетов представлены на рис. 4.5, для трех областей разряда (х=0; 0.63; 0.9) при плотности тока 2 А/см2 и давлении паров кадмия 2-Ю 2 Па. К сожалению, на данном этапе работы не представлялось возможным измерение излучательных переходов кадмия в УФ области спектра, поэтому невозможно найти суммарную плотность концентраций возбужденных атомов кадмия в состояниях 556.S и 5s5d, соответственно.

Таким образом, наблюдаемые для НИРТТ в парах кадмия электрические, излучательные и спектральные характеристики полностью укладываются в существующую общую картину баланса энергии в столбе разряда; кроме того, в отличие от НИРТТ в инертных газах, НИРТТ в парах кадмия характеризуется обеднением центральной области за счет откачки атомов к перефирии вследствие процессов амбиполярной диффузии.

Проведенное исследование электрокинетических, излучательных и спектральных характеристик НИРТТ в парах металлов (ртуть, кадмий) и инертных газов (неон, ксенон) показало, что наблюдаемые зависимости характеристик от определяющих параметров разряда (давление плазмообразующего газа, тока разряда, диаметра разрядной камеры) качественно совпадают с аналогичными зависимостями для дуговых разрядов, что подтверждает выдвинутое в работе [13] предположение о возможности рассмотрения НИРТТ как аналога электродной дуги. Более того, было показано, что электрокинетические характеристики НИРТТ в парах ртути при давлениях 10 кПа и соотношениях LID (периметра газоразрядной колбы к диаметру) 15 могут быть приближенно рассчитаны с применением стандартной П-образной каналовой модели осесимметричных ртутных дуг. Тем не менее, был обнаружен ряд эффектов, обусловленных, очевидно, различием в условиях генерации исследованных НИРТТ и описанных в литературе газовых разрядов.

К числу данных эффектов относятся: Уменьшение выхода излучения в видимый триплет ртути с потенциалом возбуждения 7.73 эВ (404.6, 435.8, 546.1) с увеличением мощности разряда, при давлениях паров ртути более 10 кПа и большом диаметре газоразрядной трубки (75 мм) Увеличение напряженности электрического поля для НИРТТ в неоне, с увеличением частоты тока.

Также необходимо отметить наблюдаемый эффект быстрого возрастания световой отдачи ртутных НИРТТ с ростом давления паров, для газоразрядных трубок большого диаметра. Данный эффект представляет особый интерес с практической точки зрения, поскольку при конструировании безэлектродных источников света вопрос об уменьшении напряженности электрического поля имеет принципиально важное значения, ввиду существующих ограничений на габаритные размеры сердечника (методика определения оптимальных параметров сердечника также рассмотрена в данной работе).

Похожие диссертации на Комплексное исследование электрокинетических и спектральных характеристик индукционных разрядов трансформаторного типа