Автореферат (1145399), страница 6
Текст из файла (страница 6)
9. Спектр излучения ИПР в цезии вблизи порога 6P континуума (порог дляизолированного атома показан стрелкой): чёрная линия - эксперимент, красная расчёт. Параметры разряда: 1 – Imax = 17,5 A, tp = 17 мкс, ν = 900 Гц; 2 – Imax = 33A, tp = 30 мкс, ν = 900 Гц; 3 – Imax = 80 A, tp = 45 мкс, ν = 900 Гц.24мм с внутренним радиусом R = 2,5 мм и ΔR = 1,5 мм. На рис. 9 приведенырезультаты измерений и расчётов спектра излучения ИПР в момент времени t =0,95tp вблизи порога 6Р континуума для трёх значений мощности, вкладываемойна единицу длины дуги: N = 3,7 Вт/cм (кривая 1), N = 14 Вт/см (кривая 2) и N =80 Вт/см (кривая 3). Для сравнения с теорией экспериментальные результаты,полученные в относительных единицах, нормировались таким образом, чтобытеория и эксперимент совпадали при λ = 490 нм (в этой области спектраимеются надёжные, хорошо коррелирующие между собой экспериментальные итеоретические данные [8,12,13] для сечений фотоионизации 6Р состояния атомацезия).
Там же указаны линии спектральной серии 6P-nD, сходящейся к порогу6Р континуума. Видно, что с увеличением мощности N, и, соответственно,давления и температуры плазмы в разряде, высшие члены спектральной сериипостепенно исчезают. Их место занимает рекомбинационный континуум,смещённый в длинноволновую область относительно невозмущённого порога.При давлениях р ~ 1 атм 6Р и 5D континуумы сливаются и перекрывают всювидимую область спектра (см. рис. 10). В результате ИПР в цезии становитсяисточником света с практически непрерывным спектром и высоким качествомцветопередачи: расчётное значение индекса цветопередачи излучения ИПРсоставляет Ra = 96-99.2F, Вт/(см нм)1,61,20,80,40,0400500600700 , нм800900Рис. 10.
Видимый спектр излучения ИПР в цезии в момент t = 0,95tp: чёрнаялиния - эксперимент, красная - расчёт. Параметры разряда : Imax = 80 A, tp = 45мкс, ν = 1300 Гц, N = 110 Вт/см.253. ЗаключениеВ результате выполнения работы построена теория импульснопериодического разряда высокого давления в парах цезия как эффективногоисточника света с рекомбинационным механизмом излучения.
Полученныерезультаты могут служить фундаментальной основой как для модернизациисуществующих источников излучения (ультрафиолетового, видимого иинфракрасного), так и для разработки новых источников. Приведём здесьосновные результаты, изложенные в диссертации.1) Построена и обоснована математическая модель импульснопериодического излучающего разряда в цезии, основанная на уравненияхдвухтемпературной многожидкостной радиационной газодинамики. Модельвключает в себя уравнения непрерывности для компонент плазмы, уравнениядвижения с учетом проскальзывания компонент плазмы друг относительнодруга, уравнения энергии для электронов и тяжелой компоненты (атомов иионов), уравнение переноса излучения и закон Ома.2) Рассмотрен вопрос о существовании локального термодинамическогоравновесия в плазме разряда.
Показано, что, в условиях ИПР в цезии, плазманаходится в состоянии ЛТР, когда выполнены соотношения Саха-Больцманапри температуре электронов.3) Установлена связь между температурой стенки Tw газоразрядной трубкии потоками энергии из плазмы на стенку. Показано, что температура стенкипрактически не меняется в процессе прохождения импульса тока. Перепадтемпературы между внешней и внутренней поверхностями стенки не превышаетнескольких десятков градусов.4) Отдельно рассмотрена неравновесная пристеночная область, в которойсостояние плазмы отклоняется от ЛТР. Для этой области решено кинетическоеуравнение для функции распределения электронов и вычислены средниезначения энергии электронов в потоке на диэлектрическую стенку,сформулировано граничное условие на стенке для температуры электронов.5) Развит подход для численного решения полученных уравнений моделиИПР в цезии. На первом этапе, для упрощения уравнений и избавления отскоростей, вводятся независимые параметры для описания состояния плазмы(полное давление р, температура тяжёлых частиц Th и температура электроновTe ) и выполняется переход к лагранжевым переменным.
На втором этапе длясистемы интегро-дифференциальных уравнений интегро-интерполяционнымметодом строится неявная разностная схема первого порядка точности повременной переменной и второго порядка точности по радиальной переменной.6) Выполнен расчёт спектра поглощения в цезиевой плазме. Показано, что26при увеличении давления плазмы от 0,01 атм до 1,0 атм происходитпреобразование линейчатого спектра в практически непрерывный. При этомважную роль играет существенный сдвиг порогов фоторекомбинационных 6Р и5D континуумов в длинноволновую сторону, достигающий 100 нм и более.Показано, что сдвиг порогов в рассматриваемых условиях обеспечивают дваэффекта: дебаевское снижение потенциала ионизации атома в плазме и слияниевысших членов спектральных серий, сходящихся к порогу фотоионизации,вследствие уширения.7) Для расчёта теплообмена излучением в плазме ИПР развит методпрямого интегрирования (МПИ) уравнения переноса излучения.
Результаты,полученные в рамках МПИ сравниваются с приближениями оптическипрозрачной и плотной плазмы, диффузионным приближением, приближениемоднородной плазмы и формулами теплообмена излучением в линиях.8) Рассмотрена эффективность спектрального источника излучения наоснове плазменного столба ИПР. Показано, что величина потока излучения изплазмы определяется тремя параметрами: температурой электронов Т0 на оси,формой радиального профиля температуры Te(r)/T0 и радиальной оптическойтолщиной столба τR(λ). При этом зависимость от Т0 определяется, главнымобразом, планковским множителем. Показано, что при любой температуреплазмы на оси столба и любом радиальном профиле температуры плазмымаксимальные потоки излучения достигаются в тех случаях, когда τR(λ) ~ 1.9) Система уравнений построенной модели ИПР решена численно.Определены временные и радиальные зависимости температур электронов итяжелых частиц, концентраций и радиальных скоростей движения всехкомпонент плазмы, величина напряжённости продольного электрического поляв плазме.
Показано, что расчёт Emax в рамках однотемпературной моделиприводит существенно завышенным значениям.10) В ИПР существенно изменяется роль буферного газа: уширение линий,подвижность электронов и электрическое поле в столбе определяютсястолкновениями с заряженными частицами, а не с нейтральными атомами,тепловой режим горелки определяется формой и продолжительностьюимпульса, а не теплопроводностью буферного газа. Роль буферного газа, восновном, сводится к обеспечению первоначального пробоя газоразрядногопромежутка.11) Исследовано отличие температур электронов и тяжёлых частиц в ИПР.Определены абсолютная величина разности температур, размер области, гдеотрыв температур имеет место, и динамика этих параметров во времени.12) Исследована газодинамика плазмы в условиях ИПР.
Показано, что вусловиях ограниченного объёма газоразрядной трубки и постоянного давления27плазмы вдоль радиуса столба особенности течений плазмы определяютсяхарактером радиационного теплообмена в плазме разряда. Если плазма ИПРявляется оптически прозрачной (τR(λ) << 1) в большей части спектра, то вразряде реализуется сложная картина газодинамических течений с возвратнымидвижениями плазмы, когда разогреваемая плазма частично выталкиваетсявперёд, в направлении стенок трубки, а частично возвращается назад, к осиразряда. Если в значительной части спектра τR(λ) ~ 1, то в разряде имеет местонелокальный радиационный теплообмен и плазма разогревается равномерно повсему объёму трубки. В этом случае в ИПР реализуется существенно болеепростая картина течений: в течение всего импульса тока плазма движется от осиразряда к стенкам, а после окончания импульса возвращается обратно к оси.13) Найдены явные выражения и рассчитаны парциальные скоростиотдельных компонент плазмы.
Показано, что в большинстве режимовпроскальзывание компонент друг относительно друга играет значительную рольв газодинамике ИПР в цезии. При этом диффузионные скорости компонентсравнимы по величине со среднемассовой скоростью плазмы.14) Исследованы особенности нагрева плазмы в ИПР. Показано, чтобóльшая часть электрической энергии, вкладываемой в разряд, излучаетсяплазмой.
В режимах горения ИПР с достаточно высоким давлением (р ~ 1 атм),когда τR(λ) ~ 1 в значительной части спектра, имеет место нелокальныйтеплообмен излучением. В этом режиме фотоны, испускаемые в какой-либоточке плазменного объёма, поглощаются в другой, удалённой от неё точке. Приэтом, бóльшая часть электрической энергии, вкладываемой в плазму ИПРпреимущественно вблизи его оси, практически мгновенно перераспределяетсяпо всему объёму столба разряда. По мере уменьшения давления и,соответственно, оптической плотности плазмы, всё больший вклад врадиационные потери вносит обычное объёмное высвечивание. При р ~ 100Торр реабсорбция излучения становится несущественной и теплообменприобретает локальный характер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
