Диссертация (1145400), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Отрыв температур электронов Te(r,t) и тяжёлых частиц Th(r,t), его масштабы изначение для ИПР. При давлении р ~ 1 атм и более отрыв температур имеет место во всёмобъёме разряда в самом начале импульса тока и вблизи стенок трубки на протяжении всегоимпульса. По мере уменьшения давления плазмы время существования отрыва температурвозрастает и область, где имеет место отрыв, захватывает всё большую часть разрядногообъёма. При р ~ 100 Торр и менее отрыв температур имеет место во всём объёмегазоразрядной трубки и на протяжении всего импульса тока.

Учёт отрыва температурнеобходим для правильного определения напряжённости продольного электрического поля в11плазме ИПР.6. Характер видимого спектра излучения ИПР в цезии, его температура и механизмыформирования. Спектр ИПР в цезии в широком диапазоне давлений имеет планковскийхарактер в значительной части видимой области. С увеличением давления до атмосферногопланковский вид спектра распространяется на всю видимую область.

Такой характер спектраобъясняется наличием в спектре атома цезия ярких 6P и 5D фоторекомбинационныхконтинуумов,порогикоторыхсувеличениемдавлениясильносдвигаютсявдлинноволновую сторону. Сдвиг порогов объясняется дебаевским снижением потенциалаионизации атома цезия в плазме и слиянием, вследствие уширения, высших членовспектральных серий, сходящихся к порогу фотоионизации. Соотношение между цветовойтемпературой излучения Тс и температурой электронов Т0 на оси разряда определяетсязначением радиальной оптической толщины τR столба плазмы в видимой области: Тс ≈ Т0 приτR ≈ 1, Тс < Т0 при τR < 1 и Тс > Т0 при τR > 1.

Планковский характер спектра обусловливаетвысокое, практически эквивалентное солнечному, качество цветопередачи излученияразряда: при изменении давления от 100 Торр до 1000 Торр значение индекса цветопередачиRa излучения разряда изменяется в пределах 95 ‒ 98, а цветовая температура от 3600 К до5200 К.7.

Газодинамика плазмы ИПР в условиях ограниченного объёма разряда и постоянногозначения давления вдоль радиуса трубки. Характер течений плазмы определяется условиямирадиационного теплообмена. В случае, когда основной вклад в радиационные потериэнергии вносит спектральная область с радиальной оптической толщиной τR(λ) ~ 1, в плазмеразряда имеет место нелокальный теплообмен излучением, плазма равномерно разогреваетсяпо всему объёму трубки и в течение всего импульса тока движется от оси разряда к стенкам.В условиях, когда радиационные потери определяются той частью спектра, где τR(λ) << 1,реабсорбция излучения отсутствует и плазма разогревается импульсом тока неравномерно.Это приводит к появлению возвратных движений, когда разогреваемая плазма частичновыталкивается к стенке, а частично возвращается к оси разряда.8.

Нелокальный радиационный теплообмен как основной механизм переноса энергии вплазме ИПР высокого давления в цезии. Обусловлен частичной реабсорбцией интенсивногорекомбинационного излучения. При таком теплообмене фотоны, испускаемые в какой-либоточке плазменного объёма, поглощаются в другой, удалённой от неё точке. Благодаряуказанному эффекту, электрическая энергия, вкладываемая в разряд преимущественновблизи его оси, практически мгновенно перераспределяется по всему объёму газоразряднойтрубки.129. Доля αvis видимого излучения в выходящем спектре во всех исследованных режимахгорения разряда составляет значительную величину и изменяется в диапазоне от 33% до58%.

Максимальное значение αvis для разряда существенно превышает максимальноеBзначение  vis= 48%для спектра излучения чёрного тела. Максимальные значения αvisдостигаются в режимах горения разряда, для которых давление в конце импульса достигаетзначений 400 – 800 Торр, а радиальная оптическая толщина плазменного столба в видимойчасти спектра имеет значения в диапазоне 0,4 – 0,8.10. Условия эффективности ИПР как источника излучения.

Величина спектральногопотока энергии излучения Fλ, выходящего с поверхности столба плазмы, определяетсятемпературой электронов Т0 на оси разряда, радиальным профилем температуры электроновТе(r) и радиальной оптической плотностью τR(λ). Зависимость от Т0 определяетсяпланковской функцией FλP(T0). При заданной Т0 максимальный поток излучения Fλ max длялюбого профиля Те(r) достигается при значении τR(λ) ≈ 1. Значение Fλmax тем ближе кмаксимально возможному FλP(T0), чем более заполненным будет профиль Те(r).Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов,представленных в диссертации, подтверждается, прежде всего, хорошим совпадениемрасчётных и измеренных спектров излучения разряда в широком диапазоне параметровплазмы. Кроме того, при выводе уравнений математической модели разряда используетсяхорошо зарекомендовавший себя метод, основанный на интегрировании кинетическогоуравнения Больцмана.

Полученная при этом двухтемпературная многожидкостная модельрешается самосогласованно с уравнением переноса излучения в плазме. Для расчётатеплообмена излучением и спектра выходящего из разряда излучения используется методпрямого интегрирования, надёжность которого подтверждается тестированием на известныхприближениях для оптически прозрачной и оптически плотной плазмы, а также намодельной задаче переноса энергии излучением в линии.Результаты исследований,вошедшиев диссертацию, былипредставленынаВсероссийских научных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП:Петрозаводск 1998, 2001, 2004, 2007, 2011, Казань 2014), XXXIII, XXXV-XXXVII, XXXIXМеждународных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород 2006, 2008, 2009, 2010,2012), 8-ой Международной научной конференции “Актуальные вопросы теплофизики ифизическойгидрогазодинамики”(Алушта,2010),Международнойконференции“International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion” (Alushta, 2010), VIМеждународной научно-технической конференции “Компьютерное моделирование” (СанктПетербург2005),Международныхнаучно-техническихконференциях13“Энергоэффективность” (Киев 2007, Санкт-Петербург 2012), IV и VII Всероссийских (смеждународным участием) научно-технических конференциях “Низкотемпературная плазмав процессах нанесения функциональных покрытий” (Казань 2012, 2015), I и IVМеждународныхнаучно-практическихконференциях“Исследование,разработкаиприменение высоких технологий в промышленности” (Санкт-Петербург 2005, 2007), III и IVМеждународныхсветотехнических конференциях (Новгород 1997, Вологда 2000) идокладывались на научных семинарах кафедры оптики СПбГУ и лаборатории физикинизкотемпературной плазмы ФТИ им.

А.Ф. Иоффе. Результаты работы докладывались наконкурсах научных работ ФТИ им. А.Ф. Иоффе и были отмечены Премией ФТИ в 2008 годуи Премией им. Б.П. Константинова в 2012 году. Работа по теме диссертации былаподдержана (в составе коллектива авторов) грантом РФФИ (проект № 07-08-600-а"Теоретическое и экспериментальное исследование импульсно-периодического разрядавысокого давления в парах цезия как эффективного источника видимого излучения снепрерывным спектром").Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка основных работавтора по теме диссертации, списка литературы, включающего 150 наименований, трёхприложений, содержит 111 рисунков и 3 таблицы. Общий объём работы составляет 260страниц машинописного текста.Основные материалы диссертации изложены в 36 публикациях, включая 25 статей вжурналах из перечня ВАК.14Глава 1.

Математическая модель ИПР1.1. Уравнения переноса в плазмеДетальное описание свойств газоразрядной плазмы задаётся набором функций распределения f (r , v , t ) частиц всех сортов α, из которых она состоит. Каждая функцияраспределения fα определяет число частиц сорта α, которые находятся в момент времени t в  окрестности точки фазового пространства ( r , v ) в элементе объёма dr dv (здесьdr  dxdydz и dv  dv x dv y dv z ). Эволюция функции распределения во времени и впространстве описывается уравнением Больцмана: Ff div v f   div v f   C(1.1)t m Здесь mα – масса частиц, F  e E  e v  B - сила, действующая на частицу с зарядом eα вэлектрическом поле с напряжённостью E и магнитном поле с индукцией B ,C   C ( f , f  ) , Cαβ – изменение числа частиц сорта α в единицу времени в единичномобъёме фазового пространства вследствие столкновений с частицами cорта β (интегралстолкновений): C (r , v , t )   f f   f f  g  ( g ,  )ddv .  Здесь f  f (r , v , t ) , f   f  (r , v , t ) , v и v – скорости частиц после столкновения,g  v   v –относительнаяскоростьчастицдостолкновения,  ( g ,  ) –дифференциальное сечение рассеяния, χ – полярный угол, определяющий изменениенаправления g  относительно g , dΩ – элемент телесного угла.

Вопросы, связанные свыводом уравнения Больцмана и условиями его применимости в плазме, широко освещены визвестных книгах (см., например, [5-7]).Внастоящейработеизучаютсярежимыгоренияразряда,прикоторыхмакроскопические параметры плазмы, в большей части её объёма, слабо изменяются нарасстояниях порядка средней длины свободного пробега и за времена порядка среднеговремени между столкновениями частиц. В этих условиях описание плазмы на уровнефункцийраспределенияоказываетсявсюду,кромеузкойпристеночнойобласти,избыточным.

Для теоретического описания динамики газоразрядной плазмы в этом случаевполнедостаточноиспользоватьмакроскопическийподход.Уравнениядля15макроскопических параметров плазмы, называемые уравнениями переноса, могут бытьполучены (см., например, [1,2,7]) из кинетического уравнения (1.1). Для этого нужноумножить обе части (1.1) последовательно на 1, m v , mαv2/2 и проинтегрировать в каждомотдельном случае уравнение по всему пространству скоростей. В процессе вывода нижебудут использованы следующие свойства интеграла столкновений Cαβ для упругихстолкновений:  C (r , v , t )dv  0 ,(1.2) m v C (r ,v , t )dv  0 ,1 2 m v2(1.3)C (r ,v , t )dv  0 .(1.4)Соотношения (1.2)-(1.4) являются следствиями законов сохранения числа частиц, а такжеимпульса и энергии при упругих столкновениях. При выводе уравнений переноса будемследовать методике, изложенной в [1].1.1.1.

Характеристики

Список файлов диссертации