Диссертация (1145400), страница 33
Текст из файла (страница 33)
6.7. Доля видимого излучения vis Fvis / F в спектре ИПР в цезии в моментокончания импульса тока ( t = tp ) в зависимости от различных параметров:(a) количества цезия Ма на единицу длины трубки,(б) максимального значения давления в импульсе pmax ,(в) радиальной оптической толщины столба плазмы R () для λ = 525 нм.Рассмотрены режимы с разными значениями амплитуды тока Imax:■ − Imax = 17 А, I0 = 0,2 A, ν = 900 Гц, tp = 45 мкс;● − Imax = 40 А, I0 = 0,6 A, ν = 1300 Гц, tp = 35 мкс;▲ − Imax = 70 А, I0 = 0,4 A, ν = 1100 Гц, tp = 43 мкс;♦ − Imax = 120 А, I0 = 0,5 A, ν = 900 Гц, tp = 45 мкс.Цифры около символов ▲ указывают на режимы, для которых приведены значения R () на рис. 6.10 и значения Fλ(R,tp) на рис. 6.11.2060,5B vis0,40,30,20,10,0T,K025005000750010000Рис.
6.8. Зависимость от температуры доли видимого излучения B vis FP vis / FP вспектре чёрного тела.Отметим, прежде всего, что температура Т0 на оси разряда во всём исследованном диапазонепараметров разряда изменяется относительно мало: в режиме с Imax = 70 А при увеличениидавления pmax от 125 Торр до 909 Торр величина Т0 уменьшается от 7500 К до 5600 К (см.рис. 6.9).
В то же время, как видно из рис. 6.10, радиальная оптическая плотность R () ,определяющая значения ελ , в видимой области спектра возрастает на два порядка. Этоприводит к сильной зависимости значений ε λ от условий разряда. В результате, всоответствии с (6.4), величина потока видимого излучения F vis определяется, главнымобразом, значением R () .Как уже указывалось выше, видимое излучение ИПР в цезии формируется, в основном,за счёт излучения в ярких 6Р- и 5D- континуумах. На рис. 6.10 хорошо видно, что приотносительно малых давлениях (когда pmax < 200 Торр), в видимой области спектра τ R(λ) <<1. Поскольку при этом ε λ ~ τ R(λ), то Fvis быстро убывает с уменьшением давления (см. рис.6.11). Полный поток излучения F включает в себя, кроме 6Р- и 5D- континуумов, излучениев резонансных линиях 6P3/2-6S1/2 (центр линии λ0 = 852,1 нм), 6P1/2-6S1/2 (λ0 = 894,3 нм), атакже ряд других интенсивных линий в инфракрасной части спектра (см.
Приложение П1.2).Как видно из рис. 6.10, радиальная оптическая толщина столба плазмы в центре этих линийτR(λ0) >> 1. В этом случае излучение в линиях выходит из столба плазмы, главным образом вкрыльях,гдеτR(λ)~1(см.подробнеегл.2и,вчастности,рис.2.11).20775007000600055005000450002004006008001000pmax , ТоррРис. 6.9. Зависимость температуры плазмы на оси ИПР от давления в концеимпульса тока амплитудой 70 А.101R()T0 , K650040,1320,0114006008001000, нм120014001600Рис. 6.10. Радиальная оптическая толщина R () плазмы ИПР в момент окончанияимпульса тока амплитудой 70 А для разного количества цезия в трубке Ма : 1 –6,9 мкг/см (pmax = 125 Торр), 2 – 22,6 мкг/см (pmax = 245 Торр), 3 – 44,2 мкг/см (pmax= 440 Торр), 4 – 105 мкг/см (pmax = 909 Торр).208В результате полный поток энергии для каждой изолированной линии ~ R (0 ) и, суменьшением давления, полный поток радиационной энергии F убывает гораздо медленнее,чем Fvis .
Это объясняет значительное уменьшение vis в области низких давлений (см. рис.6.7б).При увеличении давления до значений pmax ~ 700 Торр, величина τR(λ) в видимойобласти спектра достигает значений ~ 0,5 и дальнейшее возрастание давления (и,соответственно, τR(λ) ) не приводит к росту ε λ и потока излучения F vis . В то же время, потокэнергии излучения в линиях, напротив, продолжает возрастать с увеличением давления,поскольку спектральная область, где τR(λ) ~ 1, в которой выносится энергия в линиях,становится всё шире. Указанные особенности изменения потока излучения хорошоиллюстрируются рис. 6.11.
В итоге, после достижения значений давления pmax > 800 Торрдоля видимого излучения уменьшается. При дальнейшем увеличении давления всё большеечисло линий, вследствие их уширения, перекрываются. В результате оптические толщиныстолба τR(λ) становятся ~ 1 и более в большей части спектра излучения ИПР (см. рис. 6.10).Доля видимого излучения αvis при этом стремится к значениям, соответствующим значениямB(T0 ) для чёрного тела.значениям vis1400042F(R) , Вт/(м нм)12000100008000326000400020001 , нм04006008001000120014001600Рис.
6.11. Спектральный поток энергии Fλ(R,tp), выходящий с поверхности плазмы вмомент окончания импульса тока амплитудой 70 А для разного количества цезия втрубке Ма : 1 – 6,9 мкг/см, 2 – 22,6 мкг/см, 3 – 44,2 мкг/см, 4 – 105 мкг/см.2096.4. Зависимость спектральных и цветовых характеристик цезиевой плазмы оттемпературы и давления в условиях ИПРВыполненное выше численное моделирование ИПР показало, что после прохожденияимпульса тока в ИПР формируется столб излучающей цезиевой плазмы с плавным профилемтемпературы в большей части объёма разряда.
Вблизи стенок трубки имеет место резкоеснижение температуры. В этой области температура тяжёлой компоненты плазмы заметнониже температуры электронов. Отметим, в то же время, что холодная плазма вблизи стеноктрубки эффективно поглощает излучение только в окрестности резонансных линий цезия(852.1 нм и 894.6 нм). Видимое излучение проходит эту область плазмы практически безпоглощения. Поэтому в данном разделе, при моделировании оптических свойств излучениясчиталось, что температуры электронов и тяжёлой компоненты одинаковы во всём объёмеразрядной трубки.В предыдущих разделах было показано, что, в зависимости от формы и амплитудыимпульса тока могут быть получены значения температуры плазмы на оси в широкомдиапазоне T0 = 3000 - 6500 K.
Значения температуры электронов T1 вблизи стенок трубки (впограничных слоях) заключены при этом в интервале T1 = 1600 - 2300 K. Для моделированияоптических свойств столба такой плазмы использовался профиль температуры T(r) = T0 (r/R)a(T0 - T1)[1 - b(1-r/R)c] , характерный для исследуемых режимов ИПР.
Все расчётывыполнены для радиуса столба плазмы R = 2,5 мм, температуры плазмы вблизи стенок T1 =2000 K и значений параметров a = 1,65 , b = 0,52 и c = 0,46. Результаты расчётов спектраизлучения плазменного столба ИПР в широком диапазоне давлений приведены на рис. 6.126.13.Пунктиромнарисунках показаны результатырасчётов приучётетолькорекомбинационного механизма излучения. Рис. 6.12 соответствует значению температурыплазмы на оси T0 = 3200 K. Степень ионизации плазмы α = ni/(na+ni) изменяется здесь на осистолба от значения α = 0,043 при p = 67 Торр до α = 0,012 при p = 967 Торр.
Хорошо видно,что даже в случае относительно низких значений давления и температуры, когда степеньионизации плазмы мала, большая часть энергии, излучаемой плазмой в видимом диапазонеспектра, приходится на излучение в рекомбинационных 6P и 5D континуумах (длины волн,соответствующие их порогам равны t h (6P) = 504 нм, t h (5D) = 594 нм). Именно этообъясняет высокое качество света (Ra > 90), излучаемого цезиевой плазмой в данныхусловиях.С увеличением температуры плазмы до значений T0 = 6000 K (рис.
6.13), степеньионизации плазмы α на оси столба возрастает и становится равной 0,92 , 0,81 и 0,55 длязначений давления 51 Торр, 188 Торр и 1094 Торр соответственно. В этих условиях в21032F(R) , Вт/(м нм)100010021011300400500 , нм600700Рис. 6.12. Спектральный поток энергии излучения Fλ (R) при температуре плазмына оси T0 = 3200 K и различных значениях давления плазмы p: 1 - 67 Торр, 2 - 967Торр, 3 - FλP(T0). Пунктиром показаны результаты расчётов при учёте толькорекомбинационного механизма излучения.1052F (R) , Вт/(м нм)4103421031102300400500600700 , нмРис. 6.13.
Спектральный поток энергии излучения Fλ(R) при температуре плазмына оси T0 = 6000 K и различных значениях давления плазмы p : 1 - 51 Торр, 2 - 188Торр, 3 - 1094 Торр, 4 - FλP (T0) . Пунктиром показаны результаты расчётов приучёте только рекомбинационного механизма излучения.211диапазоне длин волн 530 нм - 760 нм с ростом давления происходит переход от линейчатогоспектра излучения к непрерывному. Сдвиг порога рекомбинационного 6P континуума вдлинноволновую область спектра увеличивается от значений 25 нм на рис. 6.12 до значений100 нм и более на рис. 6.13. Аналогичное явление имеет место и вблизи порога 5Dконтинуума. Однако наблюдение слияния высших членов этой спектральной серии изамещения их континуумом затруднено из-за наложения на эту спектральную область яркихлиний 6P-7D, 6P-8D и 6P-9S.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
