Диссертация (1145400), страница 34
Текст из файла (страница 34)
В результате указанного явления при давлениях p > 400 Торр итемпературе T0 > 4500 K происходит слияние 6P и 5D континуумов в один сплошной спектр.В этих условиях, практически вся видимая область спектра образована яркимирекомбинационными 6P и 5D континуумами. Как следствие, излучаемый плотной цезиевойплазмой свет имеет очень высокое качество: индекс цветопередачи достигает значений Ra =98-99.В настоящей работе расчёты основных световых характеристик излучения ИПР в цезии(индекса цветопередачи Ra, цветовой температуры излучения Tc и координат цветностиXc,Yc) выполнялись в соответствии с методикой [140,144]. Результаты расчётов индексацветопередачи Ra излучения цезиевой плазмы в диапазоне давлений 30-1500 Торрприведены на рис.
6.14. Во всей исследованной области параметров плазмы значения Ra >90. Причём, при p > 200 Торр и T0 > 4500 K значения индекса цветопередачи Ra > 96.Максимальное значение Ra ≈ 99 достигается в диапазоне давлений плазмы p = 300 - 600 Торри температур на оси T0 > 4500 K. Отметим, что при достаточно высоких давлениях (p > 1000Торр) величина Ra слабо зависит от температуры плазмы, приближаясь к значению Ra ≈ 98.Расчёты цветовой температуры излучения Tc приведены на рис. 6.15. Хорошо видно,что при T0 < 4500 K цветовая температура слабо зависит от давления плазмы p. Сувеличением температуры плазмы зависимостьTc от давления становится болеевыраженной.
Значения цветовой температуры излучения цезиевой плазмы возрастают от Tc ≈2800 K при T0 = 3200 K до Tc ≈ 5500 K при T0 = 6000 K и достаточно высоких давлениях.На рис. 6.16 приведены результаты расчётов координат цветности Xc ,Yc излученияцезиевой плазмы в зависимости от её давления и температуры. Стрелки около линийуказывают направление перемещения точки Xc ,Yc на цветовом графике при изменениидавления плазмы от 30 Торр до 1500 Торр. Сплошная чёрная линия соответствует цветовымкоординатам чёрного тела при разных температурах (указаны стрелками). Хорошо видно,что значения координат цветности Xc ,Yc излучения плазмы близки к значениям Xc ,Ycчёрного тела во всём исследованном диапазоне температур и давлений.
Отметим также, что суменьшением температуры плазмы ослабевает зависимость координат цветности отдавления плазмы.21241003Ra298961949290025050075010001250p , ТоррРис. 6.14. Зависимость индекса цветопередачи Ra излучения цезиевой плазмыИПР от давления плазмы p при различных значениях температуры электронов наоси T0 : 1 - 3200 K, 2 - 3800 K, 3 - 4500 K, 4 - 6000 K.5500Tc , K5000445003400023500130002500020040060080010001200p , ТоррРис. 6.15. Зависимость цветовой температуры Tc излучения цезиевой плазмы ИПРот давления p при разных значениях температуры электронов на оси T0 : 1 3200K, 2 - 3800 K, 3 - 4500 K, 4 - 6000 K.2130,422700Yc0,4131000,40135000,39390020,38345000,3740,360,350,340,320,340,360,380,400,420,440,460,48XcРис.
6.16. Зависимость цветовых координат Xc ,Yc излучения цезиевой плазмыИПР от давления p при разных значениях температуры электронов на оси T0 : 1 3200 K, 2 - 3800 K, 3 - 4500 K, 4 - 6000 K. Стрелки около линий указываютнаправление перемещения точки Xc ,Yc на цветовом графике при изменениидавления плазмы от 30 Торр до 1500 Торр6.5. Краткое описание экспериментальной установкиСравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования ИПР в цезиивысокого давления выполнено в работах [A20-А22]. Для проведения экспериментаиспользовалась установка, включающая в себя цезиевую лампу высокого давления, источникпитания, систему для снятия вольтамперной характеристики и регистрации спектральныххарактеристик.Лампа (см.
рис. 6.17) включает в себя внешнюю вакуумированную кварцевую колбудиаметром 15 мм и закреплённую в ней горелку (см. рис. 6.18) из монокристаллическогооксида алюминия Al2O3 (сапфира) длиной 115 мм с внутренним радиусом R = 2,5 мм итолщиной стенок 1,5 мм. Кварцевая колба во время работы лампы откачивалась до давления~ 10-3 Торр. В горелку при помощи стеклокерамического припоя впаяны электродные узлы.21481021665543799712Рис. 6.17. Схематическое изображение цезиевой лампы.1 – трубка из монокристалла сапфира, 2 – защитная кварцевая трубка, 3 – кернэлектрода, 4 – навитая биспираль, 5 – токовыводы в виде ниобиевых трубок, 6 –токовыводящие стержни, 7 – тепловые мостики из фольговых полосок, 8 –термопарные проволочки, 9 – резиновые уплотнения токовыводов, 10 – направлениеоткачки.Рис. 6.18.
Фотография керамической горелки цезиевой лампы.Для электродов использована традиционная для натриевых ламп высокого давленияконструкция в виде цельного цилиндрического керна с навитой на него биспиралью.Межэлектродное расстояние составляет 55 мм. Горелка в процессе изготовленияоткачивалась и заполнялась ксеноном при давлении 20 Торр и цезием.
Роль ксенона вданном случае сводится к обеспечению первоначального пробоя газоразрядного промежутка.Заполнение цезием производилось с запасом так, чтобы количество газообразного цезия втрубке определялось насыщающим давлением Psatвблизи наиболее холодной точки в215запаянной ниобиевой трубке.
Для измерения её температуры в кварцевую колбу введенатермопара.Для импульсного питания ИПР в цезии использовался специально созданный для этойцели источник тока (генератор импульсов тока переменной полярности). Генераторобеспечивает периодическое пропускание через разряд импульсов тока амплитудой до 150А, длительностью импульса 15 – 120 мкс и частотой 500 – 1500 Гц. Средняя вкладываемая вразряд мощность может составлять до 2500 Вт. Генератор обеспечивает такжепервоначальный пробой газоразрядного промежутка, происходивший в экспериментах принапряжении около 2 кВ.
С помощью генератора в лампе мог поддерживаться слаботочныйдежурный разряд силой тока I0 до 1 А. Характерная форма импульсов тока приведена на рис.6.19.I(t)/Imax0t/tpРис. 6.19. Форма знакопеременного импульса тока, использованного в эксперименте.Для оптических измерений использовался дифракционный монохроматор МДР-23.Регистрация излучения осуществлялась фотоумножителем ФЭУ-79 в спектральномдиапазоне 230 – 850 нм.6.6. Основные параметры плазмы в экспериментально исследованных режимахВ работе приведены результаты исследования трёх установившихся режимов горенияИПР в цезии.
В этих режимах через слабоионизованную плазму, поддерживаемуюнебольшим током I0 = 0,2 А , периодически, с частотой ν, пропускался импульс токазаданной формы I(t) (см. рис. 6.20), амплитуды Imax и длительности tp :2161) Imax = 17,5 А , tp = 17 мкс, ν = 900 Гц;2) Imax = 33 А , tp = 30 мкс, ν = 900 Гц;3) Imax = 80 А , tp = 45 мкс, ν = 1300 Гц.Средняя за период мощность, вкладываемая в разряд, составляла соответственно 3,7 Вт/см,14 Вт/см и 110 Вт/см длины дуги.U,ВI,A1400801200IU10006080040600400202000001020304050t , мксРис. 6.20. Зависимость от времени напряжения на лампе U и сила разрядного тока I :сплошная линия – эксперимент, пунктир − расчёт.На рис.
6.21-6.23 приведены результаты расчётов параметров плазмы для трёхрассмотренных режимов. Хорошо видно, что наименьшим значениям амплитуды разрядноготока Imax = 17,5 A и электрической мощности N = 3,7 Вт/см, вкладываемой в разряд,соответствует оптически прозрачная в большей части спектра плазма (коэффициентпоглощения на оси в конце импульса k (0) R 102 ) с невысокими значениями давленияpmax = 22 Торр и температуры электронов на оси Temax= 4500 K.
Плазма имеет при этомпрактически линейчатый спектр излучения (см. рис. 6.22). Увеличение разрядного тока до 33А и вкладываемой мощности до 14 Вт/см приводит к повышению давления и температурыдо значений pmax = 125 Торр и Te max = 5260 К. Оптическая плотность возрастает (см. рис.6.22, кривая 2) − в видимой области спектра k (0) R ~ 0,05. В спектре излучения заметный217p , Торр1000(а)32100110012345t / tp600025000Te(0,t) , K(б)35500145004000350030002500200001234t / tpРис. 6.21.
Временные зависимости: (a) полного давления плазмы p(t) и (б)температуры электронов на оси разряда Te(0,t) в различных режимах ИПР в цезии.1 − Imax = 17,5 A, tp = 17 мкс, ν = 900 Гц, N = 3,7 Вт/см;2 − Imax = 33 A, tp = 30 мкс, ν = 900 Гц, N = 14 Вт/см;3 − Imax = 80 A, tp = 45 мкс, ν = 1300 Гц, N = 110 Вт/см.218213k(0)R0-12-21-3-44006008001000120014001600 , нмРис. 6.22. Коэффициент поглощения плазмы на оси разряда в момент времени t/tp =0,95.
Параметры ИПР те же, что и на рис. 6.21. Значения давления р(t) итемпературы электронов Te(0,t) на оси разряда составляют: 1 − p(t) = 20 Торр, Te(0,t)= 4500 K, 2 − p(t) = 120 Торр, Te(0,t) = 5250 K, 3 − p(t) = 760 Торр, Te(0,t) = 5750 K.6000Te(r,tp) , К55003250001Te(r,tp )4500400035003000250020000,00,20,40,60,81,0r/RРис. 6.23. Радиальные профили температуры плазмы в момент времени окончанияимпульса (t/tp = 1). Параметры ИПР те же, что и на рис. 6.21.
Значения давленияр(t): 1 − p(t) = 20 Торр, 2 − p(t) = 120 Торр, 3 − p(t) = 760 Торр.219вклад начинает вносить непрерывное излучение в фоторекомбинационном континууме.Дальнейшее возрастание разрядного тока до Imax = 80 A и вкладываемой мощности до N =110 Вт/см приводит к повышению давления и температуры плазмы до значений pmax = 770Торр, Te max = 5760 K. Оптическая плотность плазмы приближается к единице в значительнойчасти видимого спектра (см. рис.
6.22, кривая 3). Плазма становится эффективнымисточником непрерывного излучения c высоким качеством цветопередачи: значения индексацветопередачи составляют Ra > 95. Световая отдача превышает при этом 60 лм/Вт, чтосущественно больше, чем у других (например, наиболее распространённых ксеноновых)экологически чистых (безртутных) ламп с таким же значением Ra.6.7.
Сравнение результатов эксперимента с расчётамиСравнение расчётных и измеренных значений напряжения на лампе для режима смаксимальным значением тока в импульсе 80 А приведено рис. 6.20. Как видно из рисунка,расчёты, выполненные в рамках двухтемпературной модели ИПР, согласуются свольтамперной характеристикой разряда, полученной экспериментально. На рис. 6.24–6.25приведены результаты измерений спектра излучения разряда в момент времени t = 0,95t p .Тамжепунктиромприведенырезультатытеоретическихрасчётоврадиальногоспектрального потока энергии F λ (R), выходящего с поверхности столба плазмы в этотмомент времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
