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

Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиФизико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРоссийской академии наукНа правах рукописиЛапшин Владимир ФёдоровичИсследование импульсно-периодического излучающегоразряда высокого давления в парах цезияДиссертация на соискание учёной степенидоктора физико-математических наукСпециальность: 01.04.08. – физика плазмыНаучный консультантдоктор физ.-мат. наук, профессорБакшт Фёдор ГригорьевичСанкт-Петербург20162ОглавлениеВведение …………………………………………………………………………….........................5Глава 1.

Математическая модель ИПР……...................................................................................141.1. Уравнения переноса в плазме ……………………….….…………………………....…….141.1.1. Уравнение переноса частиц ..................................................................................................151.1.2. Уравнение переноса импульса..............................................................................................151.1.3. Уравнение переноса энергии ................................................................................................171.2.

Состав цезиевой плазмы в условиях ИПР ……………………..…..………………...……181.3. Столкновения в цезиевой плазме ИПР ……………………….…….…….…………....…241.4. Уравнения непрерывности для плазмы ИПР……………………..…………………....….271.5. Уравнения движения для плазмы ИПР…………………………….……...…………........291.6. Уравнение энергии для тяжёлой компоненты плазмы ИПР……………………...….......331.7. Уравнение энергии для электронов в плазме ИПР …………….……………....…...........361.8. Локальное термодинамическое равновесие в плазме в условиях ИПР …………...........391.9. Система уравнений переноса в плазме ИПР высокого давления …………...……..........441.10.

Расчёт коэффициентов электронной электро- и теплопроводности в цезиевойплазме.....................................................................................................................................461.11. Расчёт парциальных коэффициентов теплопроводности атомов и ионов в цезиевойплазме....…………………………………………………………………………….............49Глава 2. Перенос энергии излучением в плазме ИПР ..................................................................512.1. Расчёт коэффициента поглощения излучения в цезиевой плазме…………............…….512.2.

Трансформация спектра поглощения в плазме цезия……………………………….…....542.3. Уравнение переноса излучения …………………………………………………………....562.4. Метод прямого интегрирования (МПИ) …………………………………………………..582.5. Приближения оптически прозрачной и оптически плотной плазмы ………….………...622.6. Приближение однородной плазмы…………………………………………………............662.7.

Теплообмен излучением в линии…………………………….…..…………………….......682.8. Диффузионное приближение………………………………………….…………….….......722.9. Интегрирование спектральных величин по длине волны ……………………………......742.10. Численная реализация МПИ…………………………………………………….……….....752.11. Моделирование теплообмена излучением в линии……………………..…………….......782.12. Эффективность источника излучения на основе плазменного столба ИПР.………........822.13. Сравнение МПИ и диффузионного приближения в условиях ИПР.…………….............873Глава 3. Граничные условия ...........................................................................................................913.1. Температура стенки газоразрядной трубки……………………..………………………....913.2. Граничные условия для плазмы…………………………………………………………....943.3.

Кинетическое уравнение для функции распределения быстрых электронов вприэлектродном слое .............................................................................................................983.4. Решение кинетического уравнения для быстрых электронов..…………….……….......1023.4.1. Случай р0 << 1……………………………………………………………………….........1033.4.2. Случай р0 >> 1…………………………………………..……………………….…..........1053.5. Определение потоков частиц ie и энергии Se …………………………..…………...........1073.5.1.

Случай р0 << 1……………………………………………………………………….........1083.5.2. Случай р0 >> 1……………………………………………………………………….........1103.6. Потоки электронов и их энергии на диэлектрическую стенку …………………….......110Глава 4. Исследование ИПР высокого давления в рамках однотемпературной модели ........1134.1. Исследования импульсных разрядов высокого давления…………………..….………...1134.2. Уравнения однотемпературной модели ИПР……………………………….….………....1184.3. Квазидиффузионная форма газодинамических уравнений …….……………..……..…..1204.3.1. Исключение абсолютных скоростей компонент плазмы ……………………………..1204.3.2. Переход к уравнениям относительно параметров p0, p и T ………..................……….1214.3.3.

Переход в уравнениях ИПР к лагранжевым переменным ………………………….…1234.4. Безразмерная форма уравнений математической модели ИПР………………..……...…1254.5. Разностный аналог исходной системы уравнений………………………………………..1264.6. Исследование ИПР в смеси паров натрия с ксеноном…………………………………....1294.6.1. Вольт-амперная характеристика разряда…………………………………………..…….1344.6.2. Исследование скоростей движения плазмы и динамики профилей температуры….....1344.6.3. Расчёт энергетического баланса разряда………………………………………….…......1384.6.4.

Выводы………………..………………………………………………………………........1394.7. Исследование ИПР в парах цезия ……………………………………………….…….......1414.7.1. Вольт-амперная характеристика разряда……………………………………….……......1424.7.2. Газодинамика разряда и механизмы теплообмена…………………………………........1434.7.3.

Световые характеристики излучения разряда …….......................................…...............146Глава 5. Исследование ИПР высокого давления в цезии в рамках двухтемпературной модели5.1. Уравнения двухтемпературной модели ………………………………………………......1495.2.

Исключение скоростей из уравнений модели ………….…………………..………….....15145.3. Переход к уравнениям для независимых параметров плазмы …………….………….....1525.4. Переход к переменным Лагранжа ……………………………………………………........1555.5. Безразмерная форма уравнений модели ИПР ………….………………….…..……….....1575.6. Временная зависимость основных параметров ИПР в цезии………..……..…….….......1595.7. Динамика профилей температуры в плазме ИПР ………………………………...….......1645.8.

Сравнение результатов расчётов напряжённости поля Ez для однотемпературной идвухтемпературной моделей............... …….………………………………………............1695.9. Газодинамика ИПР в цезии …………………………………….……...………………......1705.10. Парциальные скорости отдельных компонент плазмы ......................................…..........1785.11. Особенности нагрева плазмы в ИПР ..................................................................................181Глава 6. Оптические свойства ИПР высокого давления в цезии ..............................................1926.1. Механизмы формирования спектра излучения ИПР в цезии ...........................................1926.2. Планковский характер и температура видимого излучения ИПР в цезии ......................1996.3.

Расчёт доли видимого излучения в спектре ИПР в цезии .................................................2026.4. Зависимость спектральных и цветовых характеристик цезиевой плазмы оттемпературы и давления в условиях ИПР ...........................................................................2096.5. Краткое описание экспериментальной установки .............................................................2136.6. Основные параметры плазмы в экспериментально исследованных режимах ................2156.7. Сравнение результатов эксперимента с расчётами ............................................................219Заключение ………………………………………………………………..……….......................226Список основных работ автора по теме диссертации ................................................................232Список литературы ........................................................................................................................236Приложение 1.

Зависимость давления насыщенного пара цезия от температуры .................246Приложение 2. Энергии возбуждения и переходы в дискретном спектре ..............................247П.2.1. Статистический вес и энергия возбуждения состояний атома цезия ............................247П.2.2. Основные переходы в дискретном спектре атома цезия ................................................249П.2.3.

Диаграмма уровней энергии и спектра (диаграмма Гротриана) для нейтральногоатома цезия...........................................................................................................................250П.2.4. Диаграмма уровней энергии и спектра (диаграмма Гротриана) для нейтральногоатома натрия.........................................................................................................................251Приложение 3. Построение разностной схемы для уравнений двухтемпературнойИПР в цезии..........................................................................................................................2525ВведениеНастоящая работа посвящена исследованию импульсно-периодического излучающегоразряда высокого давления в парах цезия.

Такой разряд реализуется в керамической трубкеиз Al2O3 длиной L ~ 100 мм, с внутренним радиусом R ~ 2,5 мм и толщиной стенок ΔR ~ 1мм.Вработерассматриваетсяустановившийсярежимгорения,когдачерезслабоионизованную плазму, остывающую после предыдущего импульса тока, либоспециально поддерживаемую дежурным разрядом с силой тока I0 ~ 0,3 А, периодически, счастотой ν ~ 1000 Гц пропускается импульс тока заданной формы I(t) и амплитуды Imax до100 А.

Выбор цезия в качестве рабочей среды, в которой реализуется исследуемый разряд,обусловлен наличием у этого элемента целого ряда свойств, уникальных с точки зрениясоздания на его основе источника излучения. Отметим, прежде всего, что цезий обладаетдостаточно высокой упругостью паров (см. Приложение 1). Это позволяет создаватьплазму высокого давления при температурах стенок трубки не превышающих 1500 К. Вовторых, излучение цезиевой плазмы обладает важной отличительной особенностью: ввидимойчастиспектраимеютсядваяркихрекомбинационныхконтинуума,соответствующих электрон-ионной фоторекомбинации в 6Р и 5D состояния атома цезия.Пороги этих континуумов в плазме импульсно-периодического разряда (ИПР) существенносдвинуты в длинноволновую область, что приводит к практически непрерывному видуспектра в значительной части видимой области.

В-третьих, благодаря низкому потенциалуионизации атома цезия (3,89 эВ), плотную плазму с высокой степенью ионизации можнополучать с наименьшими затратами энергии. В-четвёртых, нейтральный цезий обладаетнизкой теплопроводностью, что способствует защите стенок трубки от перегрева. Наконец,необходимо отметить, что цезий относительно малотоксичен (по сравнению со ртутью,таллием и другими редкоземельными элементами, используемыми в существующихметаллогалогеновых источниках света) и не представляет экологический опасности.Актуальность темы исследования. Плазма газового разряда широко используется вразличных технических приложениях в качестве источника видимого, ультрафиолетового иинфракрасного излучения. Актуальным направлением развития современных плазменныхисточников излучения является повышение их энергоэффективности и экологическойчистоты.