Автореферат (Исследование импульсно-периодического излучающего разряда высокого давления в парах цезия), страница 2

Определитьоптимальные условия генерации света плазмой ИПР.10) Провести сравнение результатов расчётов электрических и оптическиххарактеристик ИПР с результатами измерений на цезиевой лампе.Научная новизна работы.В диссертационной работе впервые предложен и исследован импульснопериодический разряд высокого давления в парах щелочного металла какисточник света с рекомбинационным механизмом излучения. В процессевыполнения исследования:1) построена двухтемпературная многожидкостная модель импульснопериодического разряда высокого давления, включающая в себя прямоеинтегрирование уравнения переноса излучения;2) для расчёта теплообмена излучением в условиях аксиальносимметричной ЛТР плазмы разработан эффективный метод прямогоинтегрирования уравнения переноса излучения, позволяющий выполнятьмоделирование нестационарного излучающего разряда;3) решено кинетическое уравнение для электронов в неравновеснойпристеночной области и сформулировано граничное условие для температуры5электронов на диэлектрической стенке трубки;4) показано, что особенности газодинамических течений плазмы ИПР вусловиях ограниченного объёма газоразрядной трубки и постоянного давленияплазмы вдоль радиуса столба определяется характером радиационноготеплообмена в плазме разряда;5) показана возможность реализации разряда с нелокальным радиационныммеханизмом теплообмена, обеспечивающим равномерное распределениевложенной электрической энергии по всему объёму столба дуги;6) рассмотрена эффективность источника излучения на основе столба ЛТРплазмы газового разряда, получены зависимости спектральных потоковизлучения от абсолютного значения температуры на оси, радиального профилятемпературы и радиальной оптической толщины дуги и определены условия,при которых потоки излучения достигают максимальных значений;7) показано, что в широком диапазоне давлений (100 – 1000 Торр) спектризлучения ИПР в цезии имеет планковский характер в значительной части еговидимой области, найдены режимы горения, в которых доля αvis видимогоизлучения в спектре разряда достигает 57%, что существенно превышаетBмаксимальное значение  vis= 48% для спектра излучения чёрного тела;8) показано, что, в условиях ИПР в цезии, при увеличении давления плазмыдо 1 атм сдвиг порогов наиболее ярких 6P и 5D фоторекомбинационныхконтинуумов в длинноволновую сторону достигает 100 - 120 нм.

Это приводит кслиянию этих континуумов и образованию практически сплошного спектраизлучения в видимой области.Теоретическая и практическая значимость работы.Исследованный в работе ИПР высокого давления в цезии может бытьиспользован в качестве энергоэффективного безртутного источника видимогоизлучения с высоким (практически солнечным) качеством цветопередачи.Разработанная в диссертации модель ИПР высокого давления можетиспользоваться для исследования разрядов с другим наполнением, при условиивыполнения условий её применимости.

Развитый в работе метод прямогоинтегрирования уравнения переноса излучения может использоваться длярасчёта теплообмена излучением в любой аксиально-симметричной ЛТРплазме. Определённые в работе условия, при которых ИПР как источник светаобладает наибольшей эффективностью, могут быть использованы и для другихизлучающих разрядов. Полученные в диссертации результаты могут служитьфундаментальной основой как для модернизации существующих, так и дляразработки новых газоразрядных источников излучения.6Перечислим здесь основные методы и подходы, которые использовалисьдля решения поставленных в диссертации задач.– Макроскопические параметры плазмы ИПР слабо изменяются нарасстояниях порядка длины свободного пробега и на временах порядка среднеговремени между столкновениями частиц. Поэтому для описания разрядаиспользовались уравнения переноса массы, импульса и энергии, записанныеотдельно для каждого сорта частиц.

Для получения этих уравнений в работеиспользовался подход, основанный на интегрировании уравнения Больцмана попространству скоростей отдельно для каждой компоненты плазмы и развитый вработах С.И. Брагинского [2] и В.М. Жданова [3].– Обоснование возможности использования двухтемпературной моделиЛТР основано на анализе скоростей процессов нарушающих ивосстанавливающих равновесие в плазме, сравнении временных ипространственных масштабов процессов, протекающих в ИПР высокогодавления в цезии.– При формулировании граничного условия для температуры электроновопределялось среднее значение тепловой энергии электронов в потоке изнеравновесного пристеночного слоя на стенку газоразрядной трубки. С этойцелью для электронной компоненты плазмы в узком пристеночном слоезаписывалось и решалось кинетическое уравнение Больцмана.

При решениикинетического уравнения использовался метод преобразования Фурье.– Для расчёта теплообмена излучением в условиях, когда для значительнойчасти спектра радиальная оптическая толщина столба плазмы τR ≈ 1,используется подход, основанный на непосредственном решении уравненияпереноса излучения (УПИ). При этом решение УПИ записывается винтегральной форме с учётом аксиальной симметрии разряда. Для контролявычислений используются известные асимптотические решения УПИ дляслучаев оптически плотной и прозрачной плазмы (τR >> 1 и τR << 1), случайтеплообмена излучением в линии.– Методика решения системы интегродифференциальных уравненийматематической модели ИПР включает в себя два этапа. На первом этапе изсистемы исключаются скорости компонент плазмы и осуществляется переходот описания задачи в переменных Эйлера к переменным Лагранжа.

На второмэтапе для полученной системы уравнений строится чисто неявная разностнаясхема первого порядка по временной переменной и второго порядка попространственной переменной. Для построения разностной схемы используетсяинтегро-интерполяционный метод.– Для подтверждения полученных теоретических результатов и выводоввыполнено сравнение расчётных и измеренных в эксперименте спектров7выходящего из разряда излучения.Основные положения, выносимые на защиту.1.

Двухтемпературная многожидкостная модель ИПР в цезии с учётомпроскальзывания компонентплазмы друг относительно друга исамосогласованным учётом теплообмена излучением.2. Метод прямого интегрирования уравнения переноса излучения длярасчёта теплообмена излучением и спектра выходящего из разряда излучения вусловиях аксиально-симметричной неоднородной ЛТР плазмы произвольнойоптической плотности.3.

Решение кинетического уравнения для электронов в неравновеснойпристеночной области и расчёт на его основе величины потока энергии,переносимой электронами из плазмы на диэлектрическую стенку.Формулировка граничного условия для температуры электронов на стенкегазоразрядной трубки.4. Результаты численного моделирования ИПР в цезии. Подробнаяфизическая картина процессов, протекающих при прохождении импульса тока вИПР: зависимость от времени полного давления p(t), напряжённостипродольного электрического поля Ez(t), радиальных профилей температурыэлектронов Te(r,t) и тяжёлых частиц Th(r,t) и их скоростей Vi(r,t) и Va(r,t).5.

Результаты исследования явления отрыва температур электронов Te(r,t) итяжёлых частиц Th(r,t), его масштабы и значение для ИПР.6. Результаты расчётов видимого спектра излучения ИПР в цезии: егохарактер, механизмы формирования и температура. Сравнение расчётных иизмеренных спектров излучения цезиевой лампы. Спектр ИПР в цезии вдиапазоне давлений 100 – 1000 Торр имеет планковский характер взначительной части видимой области, что обусловливает высокое, практическиэквивалентное солнечному, качество цветопередачи излучения разряда (индексцветопередачи Ra = 95 – 99).7. Результаты исследования газодинамики плазмы ИПР в условияхограниченного объёма разряда и постоянного значения давления вдоль радиусатрубки.

Характер течений плазмы определяется условиями радиационноготеплообмена. В случае, когда основной вклад в радиационные потери энергиивносит спектральная область с радиальной оптической толщиной τ R(λ) ~ 1,плазма в течение всего импульса тока движется от оси разряда к стенкам. Вусловиях, когда радиационные потери определяются той частью спектра, гдеτR(λ) << 1, плазма в процессе разогрева импульсом тока частично выталкиваетсяк стенке, а частично возвращается к оси разряда.8. Нелокальный радиационный теплообмен как основной механизм8переноса энергии в плазме ИПР высокого давления в цезии.

При такомтеплообмене фотоны, испускаемые в какой-либо точке плазменного объёма,поглощаются в другой, удалённой от неё точке. Благодаря этому, электрическаяэнергия, вкладываемая в разряд преимущественно вблизи его оси, практическимгновенно перераспределяется по всему объёму газоразрядной трубки.9. Расчёт доли αvis видимого излучения в выходящем спектре: во всехисследованных режимах горения разряда αvis составляет значительную величинуи изменяется в диапазоне от 33% до 58%. Максимальное значение α vis дляBразряда существенно превышает максимальное значение  vis= 48% для спектраизлучения чёрного тела и достигается в режимах горения разряда, для которыхдавление в конце импульса достигает значений 400 – 800 Торр, а значения τR(λ)в видимой части спектра заключены в диапазоне 0,4 – 0,8.10. Условия эффективности ИПР как спектрального источника излучения.Величина спектрального потока энергии излучения Fλ, выходящего споверхности столба плазмы, определяется температурой электронов Т0 на осиразряда, радиальным профилем температуры электронов Те(r) и радиальнойоптической плотностью τR(λ).

Зависимость от Т0 определяется планковскойфункцией FλP(T0). При заданной Т0 максимальный поток излучения Fλ max длялюбого профиля Те(r) достигается при значении τR(λ) ≈ 1. Значение Fλmax темближе к максимально возможному FλP(T0), чем более заполненным будетпрофиль Те(r).Степень достоверности и апробация результатов.Достоверностьрезультатов,представленныхвдиссертации,подтверждается, прежде всего, хорошим совпадением расчётных и измеренныхспектров излучения разряда в широком диапазоне параметров плазмы. Крометого, при выводе уравнений математической модели разряда используетсяхорошо зарекомендовавший себя метод, основанный на интегрированиикинетического уравнения Больцмана.