Автореферат (Исследование импульсно-периодического излучающего разряда высокого давления в парах цезия), страница 5

Радиальные распределения температуры электронов Те(r,t) (красныелинии) и тяжёлых частиц Th(r,t) (синие линии) в процессе прохождения импульсатока. Параметр на кривых – время в единицах импульса t/tp . Параметры разрядате же, что и на рис. 2.19значениях максимального давления в импульсе pmax = p(tp) порядкаатмосферного значительный отрыв Te от Th вблизи оси разряда имеет местотолько при t < 0,1tp.

Размер внешней области столба плазмы, в которой имеетместо отрыв температур, составляет 0,1R – 0,2R. Понижение давления приводитк увеличению продолжительности времени существования отрыва температурвблизи оси разряда и увеличению внешней области дуги, где этот отрыв имеетместо (см.

рис. 3 для pmax = 247 Торр). При р ~ 100 Торр и менее значительныйотрыв температур имеет место на всём протяжении импульса тока практическиво всём объёме плазмы.Большая часть электрической энергии, вкладываемой в плазму, выходит изнеё в виде излучения. В работе выполнен сравнительный анализ радиационныхпотерь энергии в различных частях спектра. С этой целью рассчитаныотдельные составляющие величины Wrad : W  d   W  d Wrad  W1  W2  Wnonl  R (  )  0,3 R (  ) 3 W d(21)0,3 R (  )3Здесь величины W1, W2, Wnonl обозначают потери энергии на излучение в техчастях спектра, для которых радиальная оптическая толщина столба плазмыτR(λ) < 0,3 , τR(λ) > 3 и 0,3 < τR(λ) < 3 соответственно. Результаты расчётов τR(λ)и W1, W2, Wnonl приведены на рис. 4-5 для двух режимов горения ИПР: режима,когда плазма разряда в большей части спектра является оптически прозрачнойдля собственного излучения (Ma = 0,007 мг/см, ν = 1350 Гц, tp = 35 мкс, Imax = 70A, Tmax = 7400 К, pmax = p(tp) = 126 Торр) и режима, когда в значительной частиспектра радиальная оптическая толщина столба τR(λ) ~ 1 (Ма = 0,06 мг/см, ν =1000 Гц, tp = 62,5 мкс, Imax = 120 А, Tmax = 6620 К, pmax = 809 Торр).110R()0101-1102-210-310250500750 1000 , нм12501500Рис.

4. Радиальная оптическая толщина τR(λ) столба плазмы в момент времени t/tp= 0,5 для двух режимов ИПР: 1 – pmax = 809 Торр; 2 – pmax = 126 Торр.20Хорошо видно (см. рис.5а), что при больших давлениях плазмы определяющуюроль играют радиационные потери энергии Wnonl в спектральной области, длякоторой 0,3 < τR(λ) < 3. Длина пробега фотонов в этой спектральной областисравнима с размерами самого плазменного столба. При этом фотоны,испускаемые в какой-либо точке плазменного объёма, поглощаются вдругой, удалённой от неё точке, т.е. имеет место нелокальный радиационныйтеплообмен.

Благодаря указанному эффекту, электрическая энергия,вкладываемая в разряд преимущественно вблизи его оси, практическимгновенно перераспределяется по всему объёму газоразрядной трубки. По мереуменьшения давления плазмы оптическая плотность плазмы уменьшается. Приpmax = 126 Торр для большей части спектра τR(λ) << 1 (см. рис. 4). При этомосновной вклад в радиационные потери энергии Wrad вносит величина W1 (см.рис.

5б), соответствующая обычному объёмному высвечиванию безреабсорбции.33Вт / м103x10Вт / м(а)122x1091x109(б)13102x103101x104400,0200,20,40,6r/R0,81,00,00,20,40,60,81,0r/RРис. 5. Радиальное распределение потерь энергии на излучение в частях спектра сразличной радиальной оптической плотностью τ R(λ): 1 – во всём спектральномдиапазоне Wrad , 2 – Wnonl (при 0,3 < τR(λ) < 3), 3 – W1 (при τR(λ) < 0,3), 4 – W2 (приτR(λ) > 3). Параметры ИПР: (а) – pmax = 809 Торр; (б) – pmax = 126 Торр.В этой же главе исследована газодинамика плазмы ИПР.

Показано, что, приограниченном объёме газоразрядной трубки и постоянном по радиусу давлении,характер газодинамических течений зависит от условий радиационноготеплообмена в плазме. В случае, когда основной вклад в радиационные потериэнергии вносит спектральная область с оптической толщиной τR(λ) ~ 1, в плазмеразряда имеет место нелокальный теплообмен излучением, плазмаразогревается равномерно и в течение всего импульса тока движется от осиразряда к стенкам (см.

рис. 6а). В условиях, когда радиационные потери21определяются той частью спектра, где τR(λ) << 1, реабсорбция излученияотсутствует и плазма разогревается импульсом тока неравномерно. Этоприводит к появлению возвратных движений (см. рис. 6б), когда разогреваемаяплазма частично выталкивается к стенке (Vh > 0), а частично возвращается к осиразряда (Vh < 0).Vh , м / с(a)Vh , м / с200,1400,1150,2300,30,0510520100,300,20,40,60,80,5-101,00,00,20,050,50,70(б)1,0r/R0,00,20,40,6r/R0,70,81,01,0Рис.

6. Радиальное распределение среднемассовой скорости Vh(r) для разныхмоментов времени t/tp (указаны возле кривых). Параметры разряда: Imax = 70 A, ν= 1350 Гц, tp = 35 мкс при разных давлениях цезия:(а) – pmax = 570 Торр, в значительной части спектра τR(λ) ~ 1;(б) – pmax = 126 Торр , в значительной части спектра τR(λ) << 1.В шестой главе рассматриваются оптические свойства ИПР в цезии.Выполнен расчёт спектра излучения разряда и анализ механизмов егоформирования в широком диапазоне давлений (100 – 1000 Торр). Показано, чтоосновным механизмом формирования видимого спектра излучения являетсяэлектрон-ионная фоторекомбинация в 6Р и 5D состояния атома цезия (порогиконтинуумов 504 и 594 нм соответственно). При этом, снижение энергииионизации атома цезия в плазме и слияние, вследствие уширения, высшихчленов спектральных серий, сходящихся к порогу ионизации, приводят ксущественному сдвигу порогов 6Р и 5D континуумов в длинноволновуюобласть спектра (см.

рис. 7). В результате, значительная часть видимого спектраразряда имеет планковский характер, т.е. совпадает с точностью до некоторойконстанты с планковским спектром, соответствующим цветовой температуре Тсизлучения ИПР. Найдена связь между Тс и температурой электронов Т0 на осиразряда. Показано, что Тс ≈ Т0 при τR ≈ 1, Тс < Т0 при τR < 1 и Тс > Т0 при τR > 1.222F , Вт/(м нм)2F , Вт/(м нм)(a)8000(б)1326000412x102400041x10200003400500600 , нм0700400500600 , нм700Рис. 7.

Спектральный поток энергии с поверхности плазмы в момент времени t/tp= 1 : 1 – F ( R, t p ) , 2 – FP (Tс ) , 3 – F(bf ) ( R, t p ) (расчёт при k(bb)  k( ff )  0 ).Расчёты приведены для двух режимов горения ИПР:a – Imax = 40 А, ν = 1300 Гц, tp = 35 мкс, рmax = 83 Toрр, Тс = 3600 К;б – Imax = 120 А, ν = 900 Гц, tp = 45 мкс, рmax = 1087 Toрр, Тс = 5200 К.В работе выполнен расчёт доли  vis  Fvis / F видимого излучения вспектре ИПР в цезии, где Fvis − поток энергии видимого излучения, F − полныйпоток энергии излучения.

Для определения диапазона возможных значений  visбыло проведено численное моделирование ИПР в трубке радиусом R = 2,5 мм итолщиной стенок ΔR = 1 мм в различных режимах горения. При этом импульстока заданной формы (см. рис. 2) и амплитуды Imax пропускался черезгазоразрядную трубку с разным количеством цезия Ма на единицу длинытрубки. Серии численных экспериментов были проведены для четырёхзначений Imax равным 17 А, 40 А, 70 А и 120 А. Значения  vis вычислены длямомента времени t = tp , соответствующего окончанию импульса тока, когдапотоки излучения из плазмы максимальны.

Показано (см. рис. 8), что доля  visвидимого излучения в выходящем спектре изменяется в диапазоне от 33% до58%. Максимальное значение αvis для разряда существенно превышаетBмаксимальное значение  vis= 48% для спектра излучения чёрного тела.Значения  vis > 55% достигаются в режимах горения разряда с pmax = 400 – 800Торр и τR(λ) = 0,4 – 0,8 в видимой части спектра.В работе выполнено сравнение теоретических расчётов спектра излученияИПР в цезии с результатами измерений [11] в газоразрядной трубке длиной 115230,6(а)0,6 Fvis / F0,50,50,40,40,30200400600pmax , Торр800Fvis / F0,30,011000(б)0,1R(525нм)1Рис. 8.

Доля видимого излучения  vis  Fvis / F в спектре ИПР в цезии в моментокончания импульса тока (t = tp) в зависимости от различных параметров:(а) - от максимального давления в импульсе pmax , (б) - от радиальной оптическойтолщины τR(λ) для λ = 525 нм. Рассмотрены режимы:■ − Imax = 17 А, ν = 900 Гц, tp = 45 мкс; ● − Imax = 40 А, ν = 1300 Гц, tp = 35 мкс; ▲ −Imax = 70 А, ν = 1100 Гц, tp = 43 мкс; ♦ − Imax = 120 А, ν = 900 Гц, tp = 45мкс.2F, Вт/(см нм)8D3/2-6P1/2 8D5/2-6P3/26P7D3/2-6P1/27D5/2-6P3/2319D -6P9D3/2-6P1/2 5/2 3/220,110D5/2-6P3/210D3/2-6P1/210,01480520560600, нм640680Рис.