Диссертация (1145400), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Поскольку экспериментальные результаты получены в относительныхединицах, то при сравнении с теорией их значения нормировались таким образом, чтобытеория и эксперимент совпадали при λ = 490 нм. Выбор такой длины волны для нормировкиобусловлен двумя причинами. Во-первых, с тем, что излучение в этой области спектрапрактически полностью формируется за счёт хорошо изученных процессов электрон-ионнойфоторекомбинации в состояние 6P атома цезия. Во-вторых, с тем, что для этой областиспектра имеются надёжные, хорошо коррелирующие между собой экспериментальные итеоретические данные [29,59,60] для сечений фотоионизации.Рис.
6.24 соответствует импульсу тока амплитудой Imax = 17,5 А и длительностью tp = 17 мкс.Средняя мощность N, вкладываемая на единицу длины дуги, составляет при этом N = 3,7Вт/см. В этом случае, как видно из рисунка, ИПР в цезии имеет линейчатый спектризлучения. Расчёты показывают (см. рис. 6.21- 6.23), что полное давление плазмы в моментвремени t = 0,95tp равно р(t) = 20 Торр и температура плазмы на оси разряда Te(0,t) = 4500 K.Плазма разряда является в этих условиях оптически прозрачной для большей частиизлучения: спектр разряда состоит из слабого непрерывного (рекомбинационного) излученияи ярких линий цезия на его фоне. Большая часть излучаемой энергии выходит при этом в2200,302F(R), Вт/(cм нм)0,250,200,150,100,050,00400500600700800900 , нмРис.
6.24. Видимый спектр излучения ИПР в цезии в момент времени t/tp = 0.95:сплошная линия - эксперимент, пунктир - расчёт. Параметры разряда : Imax = 17,5 A, tp =17 мкс, ν = 900 Гц, N = 3,7 Вт/см, полное давление плазмы P(t) = 20 Торр, температураэлектронов на оси Te(0,t) = 4500 K.инфракрасной области (в области резонансной линии) и ИПР в цезии не может служитьэффективным источником видимого излучения. Расчётное значение световой отдачисоставляет величину η = 14,5 лм/Вт, что соответствует эффективности обычных лампнакаливания. Вместе с тем, отметим, что даже при таких, относительно низких значенияхдавления и температуры, присутствие в спектре рекомбинационного излучения приводит кдостаточно хорошему качеству цветопередачи ИПР: индекс цветопередачи Ra = 86.Увеличение амплитуды и длительности импульса тока и, соответственно, увеличениесредней мощности, вкладываемой в разряд, приводят к разогреву горелки, увеличениютемпературы и концентрации цезиевой плазмы в разряде (см.
рис. 6.21-6.23). Интенсивностьизлучения плазмы в континууме, как видно на рис. 6.25, возрастает. Возрастание долинепрерывного излучения приводит к увеличению эффективности ИПР как источника света(световая отдача увеличивается до η = 40 лм/Вт) и повышению качества света (Ra возрастаетдо значения равного 92).2211,22F, Вт/(cм нм)1,00,80,60,40,20,0400500600700800900, нмРис. 6.25. Видимый спектр излучения ИПР в цезии в момент времени t/tp = 0.95:сплошная линия - эксперимент, пунктир - расчёт. Параметры разряда : Imax = 33 A,tp = 30 мкс, ν = 900 Гц, N = 14 Вт/см, р(t) = 120 Торр, Te(0,t) = 5250 K.На рис. 6.26-6.27 показано, как изменяется при увеличении давления и температурыплазмы спектр излучения разряда вблизи порога 6P фоторекомбинационного континуума.Так, в эксперименте, соответствующем рис.
6.26, параметры разряда составляют: Imax = 70,5A, tp = 35 мкс, ν = 1350 Гц. Плазма в таком режиме ИПР является оптически прозрачной. Приэтом полное давление плазмы в момент окончания импульса тока равно pmax = 90 Торр, атемпература на электронов на оси Temax= 7200 K.
Спектр разряда состоит из слабогоизлучения в континууме и ярких линий цезия на его фоне. На рис. 6.26б показан спектризлучения разряда вблизи порога 6P фоторекомбинационного континуума. Длина волны,соответствующая порогу континуума для изолированного атома, равна λ th (6P) = 504 нм.Линии спектральной серии 6Р-nD, сходящиеся к порогу континуума, отдельно указаны нарисунке. Хорошо видно, что состояние 9D атома цезия, является последним в этой серии.Состояния со значением главного квантового числа n > 9 не реализуются в плазме разряда.Их место занимает рекомбинационный континуум, смещённый в длинноволновую областьотносительно невозмущённого порога.На рис.
6.27 приведены результаты измерений и расчётов спектра излучения ИПРвблизи порога 6Р континуума для трёх значений мощности, вкладываемой на единицу длиныдуги: N = 3,7 Вт/cм (кривая 1), N = 14 Вт/см (кривая 2) и N = 80 Вт/см (кривая 3).222F(), Вт/(см нм)2,52,02(а)1,51,00,50,04005006007006P3/2-8D5/216P1/2-8D3/22F(), Вт/(см нм) , нм6P3/2-9D5/2(б)6P1/2-9D3/20,16P520560600640, нмРис.
6.26. Спектр излучения ИПР в цезии в момент времени t/tp = 0.97 в видимойобласти спектра (а) и вблизи порога 6P рекомбинационного континуума (б). Порогконтинуума при λth = 504 нм показан стрелкой. Сплошная линия - эксперимент,пунктир - расчёт. Параметры разряда : Imax = 70,5 A, tp = 35 мкс, ν = 1350 Гц, pmax =90 Торр, Te max = 7200 K.2232F, Вт/(см нм)8D3/2-6P1/26P8D5/2-6P3/27D5/2-6P3/27D3/2-6P1/2319D3/2-6P1/29D5/2-6P3/220,110D5/2-6P3/210D3/2-6P1/211D-6P10,01480520560600640680, нмРис.
6.27. Спектр излучения ИПР в цезии в момент времени t/tp = 0.95 вблизи порога 6Pрекомбинационного континуума (порог континуума при λth = 504 нм показан стрелкой):сплошная линия - эксперимент, пунктир - расчёт. Параметры разряда :1 – Imax = 17,5 A, tp = 17 мкс, ν = 900 Гц (расчётные значения полного давления P(t) = 20Торр, температуры электронов на оси разряда Te(0,t) = 4500 K);2 – Imax = 33 A, tp = 30 мкс, ν = 900 Гц, (расчётные значения P(t) = 120 Торр, Te(0,t) =5250 K);3 – Imax = 80 A, tp = 45 мкс, ν = 900 Гц, (расчётные значения P(t) = 580 Торр, Te(0,t) =5650 K).224Температура стенок трубки в рабочей зоне имеет значения, соответственно равные 780 К,900 К и 1200 К. На рисунке хорошо видно, как с увеличением мощности N, и,соответственно, давления и температуры плазмы в разряде, происходит преобразованиелинейчатого спектра излучения в сплошной спектр.
На рис. 6.27 указаны линииспектральной серии 6P-nD, сходящейся к порогу 6Р континуума. Хорошо видно, чтовспектральной серии 6P-nD реализуются только те высоковозбуждённые состояния, длякоторых значения главного квантового числа n ≤ n m a x . Значение nmax уменьшается сувеличением давления и температуры плазмы от n m a x = 11 до n m a x = 7 (см. кривые 1-3соответственно). Отметим, что аналогичное явление имеет место и вблизи порога 5Dконтинуума (длина волны, соответствующая порогу, равна λ t h = 594 нм).
Однако наблюдениеслияния высших членов этой спектральной серии и замещения их континуумом затрудненоиз-за наложения на эту спектральную область ярких линий 6P-7D, 6P-8D и 6P-9S.Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами теоретическихрасчётов. Это подтверждает справедливость механизма формирования сплошного спектра,использованного в расчётах. Этот механизм предполагает, что в результате штарковскогоуширения и слияния высших членов спектральных серий, сходящихся к порогам 6P и 5Dфоторекомбинационных континуумов, а также дебаевского снижения потенциала ионизацииатома цезия в плазме, имеет место существенный сдвиг порогов 6P и 5D континуумов вдлинноволновую область спектра.Дальнейшее увеличение вкладываемой в разряд мощности до 110 Вт/см приводит ктому, что смещённые континуумы сливаются и перекрывают всю видимую область спектра(см. рис. 6.28).
В результате этого эффекта ИПР в цезии становится источником видимогоизлучения со спектром, близким к солнечному. Расчётное значение световой отдачипревышает значения 60 лм/Вт при очень высоком качестве цветопередачи излучения ИПР: Ra= 96.Отметим, что дублет, соответствующий резонансной линии поглощения цезия сдлинами волн λ = 852 нм (6S1/2-6P3/2) и λ = 894 нм (6S1/2-6P1/2), хорошо различим в спектреизлученияИПР.Сравнениерасчётнойиизмереннойформыдублетапозволяетконтролировать массу цезия Ма , приходящуюся на единицу длины разрядной трубки.2252F, Вт/(см нм)1,61,20,80,40,0400500600700800900 , нмРис.
6.28. Видимый спектр излучения ИПР в цезии в момент времени t/tp = 0.95:сплошная линия - эксперимент, пунктир - расчёт. Параметры разряда : Imax = 80 A, tp =45 мкс, ν = 1300 Гц, N = 110 Вт/см, расчётное значение полного давления P(t) = 760Торр и температуры электронов на оси Te(0,t) = 5750 K.226ЗаключениеВ результате выполнения работы построена теория импульсно-периодического разрядавысокого давления в парах цезия как эффективного источника света с рекомбинационныммеханизмом излучения.
Полученные результаты могут служить фундаментальной основойкак для модернизации существующих источников излучения (ультрафиолетового, видимогои инфракрасного), так и для разработки новых источников. Приведём здесь основныерезультаты, изложенные в диссертации.1) Рассмотрен вопрос о существовании локального термодинамического равновесия вплазме разряда. Показано, что, в условиях ИПР в цезии, плазма находится в состоянии ЛТР,когда выполнены соотношения Саха-Больцмана при температуре электронов.2) Построена и обоснована математическая модель импульсно-периодическогоизлучающегоразрядавцезии,основаннаянауравненияхдвухтемпературноймногожидкостной радиационной газодинамики. Модель включает в себя уравнениянепрерывности для компонент плазмы, уравнения движения с учетом проскальзываниякомпонент плазмы друг относительно друга, уравнения энергии для электронов и тяжелойкомпоненты (атомов и ионов), уравнение переноса излучения и закон Ома.3) Установлена связь между температурой стенки Tw газоразрядной трубки и потокамиэнергии из плазмы на стенку.
Показано, что, в рассмотренных режимах ИПР, температурастенки практически не меняется в процессе прохождения импульса тока. Перепадтемпературы между внешней и внутренней поверхностями стенки не превышает несколькихдесятков градусов. В ИПР появляется дополнительный (по сравнению со стационарнойдугой) механизм управления тепловым режимом стенок горелки: значение Tw в значительнойстепени определяется продолжительностью (скважностью) импульса тока.4) Отдельно рассмотрена неравновесная пристеночная область, в которой состояниеплазмы отклоняется от ЛТР.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
