Автореферат (Исследование импульсно-периодического излучающего разряда высокого давления в парах цезия)

На правах рукописиЛапшин Владимир ФёдоровичИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГОИЗЛУЧАЮЩЕГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПАРАХЦЕЗИЯСпециальность: 01.04.08. – физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург2016Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении наукиФизико-техническом институте им.

А.Ф. Иоффе Российской академии наукНаучный консультант: Бакшт Фёдор Григорьевич,доктор физико-математических наук, профессор.Официальные оппоненты:Рухадзе Анри Амвросьевич,доктор физико-математических наук, профессор,Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт общей физики им. А.М. ПрохороваРоссийской академии наук, главный научный сотрудник.Головицкий Александр Петрович,доктор физико-математических наук,Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшего образования"Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого", профессор.Зверева Галина Николаевна,доктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования"Санкт-Петербургский государственный университетгражданской авиации", доцент.Ведущая организация:Акционерное общество "Государственный Оптическийинститут им.

С.И. Вавилова"Защита состоится «_______» ________________ 2016 года в _______ назаседании Диссертационного совета Д.212.232.45 при Санкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург,Петродворец, ул. Ульяновская, д.1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургскогогосударственного университета.Автореферат разослан «_____» _________________ 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного советадоктор физ.-мат. наукСухомлинов В.

С.21. Общая характеристика работыАктуальность темы исследования.Плазма газового разряда широко используется в различных техническихприложениях в качестве источника видимого, ультрафиолетового иинфракрасного излучения. Актуальным направлением развития современныхплазменныхисточниковизлученияявляетсяповышениеихэнергоэффективности и экологической чистоты. Важнейшей задачейсветотехники является, кроме того, улучшение качества цветопередачиисточников света. В соответствии с этим ведётся непрерывная работа как посовершенствованию существующих источников излучения, так и по разработкепринципиально новых. Одно из направлений исследований опирается наиспользование импульсно-периодического (пульсирующего) режима питаниягазоразрядных ламп.

Преимущество такого режима состоит в том, что приодинаковой, по сравнению со стационарной дугой, средней мощности,вкладываемой в разряд, в импульсном режиме удаётся создавать плазму с болеевысокой температурой и плотностью. Это значительно увеличивает потокиизлучения из плазмы, повышает КПД дуги как источника излучения и улучшаетеё световые характеристики.Выбор цезия в качестве рабочей среды, в которой реализуется исследуемыйразряд, обусловлен наличием у этого элемента целого ряда свойств, уникальныхс точки зрения создания на его основе источника излучения. Отметим, преждевсего, что цезий обладает достаточно высокой упругостью паров. Это позволяетсоздавать плазму высокого давления при доступных для стенок керамическойгазоразрядной трубки температурах, не превышающих 1500 К. Во-вторых, ввидимой части спектра имеются два ярких рекомбинационных континуума,соответствующих электрон-ионной фоторекомбинации в 6Р и 5D состоянияатома цезия.

Пороги этих континуумов в плазме импульсно-периодическогоразряда (ИПР) существенно сдвинуты в длинноволновую область, что приводитк практически непрерывному виду спектра в значительной части видимойобласти. В-третьих, благодаря низкому потенциалу ионизации атома цезия (3,89эВ), плотную плазму с высокой степенью ионизации можно получать снаименьшими затратами энергии. В-четвёртых, нейтральный цезий обладаетнизкой теплопроводностью, что способствует защите стенок трубки отперегрева.Изучение импульсного режима горения дуги связано со значительнымитрудностями, которые вызваны сильной неоднородностью плазмы, большимразнообразием и нестационарным характером протекающих в ней процессов [1].Отметим здесь, прежде всего, что импульсно-периодический разряд (ИПР)3характеризуется сложной картиной газодинамических течений.

При этом,отдельные компоненты плазмы движутся друг относительно друга(проскальзывают) и их относительное содержание меняется по радиусу.Следует заметить, что экспериментальное исследование газодинамики ИПРвесьма затруднительно, а сколь-нибудь подробное теоретическое рассмотрениекартины течений до настоящего времени не проводилось.В энергетическом балансе ИПР в цезии определяющую роль играеттеплообмен излучением. В наиболее интересных для светотехнических целейрежимах плазма ИПР в цезии имеет сложную структуру спектра, которыйнельзя разделить на непрерывный и линейчатый при расчёте энергетическогобаланса.

При этом оптическая толщина плазмы разряда в значительной частиспектра составляет величину порядка единицы. В этом случае для расчётатеплообмена излучением и расчёта спектра выходящего из разряда излучениянеобходимо непосредственно использовать уравнение переноса излучения.Большая разница в массе электронов и атомов (для цезия m a /m e = 2,42·105)приводит к отрыву температур электронов от температуры тяжёлых частиц. Этосущественно усложняет описание разряда, поскольку требует раздельногоописания баланса энергий электронов и тяжёлых частиц. При этом дляпостановки граничного условия для температуры электронов на стенках трубкинеобходимо рассматривать пристеночный неравновесный слой.Последовательное описание импульсно-периодического разряда с учётомуказанных особенностей до настоящего времени отсутствовало и созданиетеории такого разряда является актуальной задачей.Цели и задачи диссертационной работы.Цель настоящей работы состоит в исследовании импульснопериодического разряда (ИПР) высокого давления в парах цезия как источникасвета с рекомбинационным механизмом излучения.

Такой разряд реализуется вкерамической трубке из Al2O3 длиной L ~ 100 мм, с внутренним радиусом R ~2,5 мм и толщиной стенок ΔR ~ 1 мм. В работе рассматриваетсяустановившийся режим горения, когда через слабоионизованную плазму,остывающую после предыдущего импульса тока, либо специальноподдерживаемую дежурным разрядом с силой тока до 1 А, периодически, счастотой ν ~ 1000 Гц, пропускается импульс тока заданной формы I(t) иамплитудой до 100 А. В процессе выполнения работы необходимо было решитьследующие основные задачи.1) Построить математическую модель ИПР высокого давления,учитывающую указанные выше особенности разряда.2) Обосновать возможность использования модели локального4термодинамического равновесия (ЛТР) для изучения ИПР и определитьграницы её применимости.3) Рассмотреть на кинетическом уровне неравновесный пристеночный слойплазмы и сформулировать граничное условие для температуры электронов настенке разрядной трубки.4) Разработать методику решения уравнения переноса излучения и расчётатеплообмена излучением в условиях ИПР в цезии (метод прямогоинтегрирования) для случая произвольной оптической плотности плазмы.5) Разработать методику решения уравнений переноса массы, импульса иэнергии совместно с уравнением переноса излучения и выполнитьмоделирование ИПР в различных режимах горения.6) Рассмотреть механизмы формирования спектра излучения ИПР ивыполнить расчёты мгновенных и средних за период спектров.7) Изучить особенности теплообмена в плазме ИПР и влияниерадиационного теплообмена на газодинамику плазмы в широком диапазонепараметров разряда.8) Рассмотреть вопрос об эффективности спектрального источникаизлучения на основе ИПР высокого давления в зависимости от параметровплазмы.9) Выполнить расчёт и определить диапазон изменений световыххарактеристик ИПР в цезии в зависимости от параметров разряда.