1. Разряд в парах Na является эффективным источником видимого излучения [1]. В последнее время активно ведутся работы по созданию на его основе безртутных маломощных натриевых ламп высокого давления [2-4]. Большая часть этих исследований, однако, посвящена стационарному разряду. В то же время импульсный режим горения лампы позволяет добиться значительного улучшения ее световых характеристик [1-3]. Изучение такого режима горения дуги связано с большими трудностями, которые вызваны сильной неоднородностью плазмы, большим разнообразием и нестационарным характером протекающих в ней процессов. В [5] показано, что импульсный разряд характеризуется сложной картиной газодинамических течений компонент, относительное содержание которых меняется по радиусу. В настоящей работе приводятся результаты расчетов баланса энергии в столбе импульсного разряда небольшой мощности W=5-60 Вт/см. Показано, что доля энергии, излучаемой в видимом диапазоне, достигает 50-55% мощности W, выделяющейся в единице длины столба разряда, что значительно больше, чем в стационарном разряде высокого давления [1]. 2. В расчетах рассматривается импульсный разряд в длинной (L>> R) цилиндрической трубке с внутренним радиусом R=1.5 мм. Считается, что трубка заполнена ксеноном под давлением 20 Тор при температуре 293 K. Количество натрия определяется по насыщающему давлению P_sat у наиболее холодной части трубки с температурой T_cold. Предполагалось, что T_cold=T_w-300 K, где T_w - температура внутренней поверхности трубки в рабочей зоне горелки. Ниже рассматривается установившийся режим работы лампы, когда импульс тока заданной формы I(t) пропускается через плазму дежурного разряда. Частота следования импульсов nu=800 Гц, продолжительность импульса t_i=0.1/nu. Система газодинамичеких уравнений для отдельных компонент плазмы, граничные условия к ней и методика расчета электро- и теплопроводности плазмы описаны в [5]. При расчете радиационных потерь из единицы объема плазмы учитывались излучения в линиях, соответствующих переходам в основное состояние с уровней 3P, 4P, 5P, переходам в 3P-состояние с уровней 4S, 5S, 6S, 3D, 4D, 5D, в состояние 4S с уровней 5P, 6P, а также излучение рекомбинационного и тормозного электрон-ионного континуумов. Излучение во всех линиях рассчитывалось с учетом реабсорбции в приближении эффективного времени жизни для однородной плазмы [6]. При расчете коэффициента поглощения профиль всех линий считался лоренцевским. Для линии 3P->3S учитывались два механизма уширения: атомами при резонансной передаче возбуждения [7] и штарковский электронами [8]. Для всех остальных линий учитывалось только уширение электронами. Уширение резонансной линии за счет образования эксимерных молекул NaXe^* и молекул Na₂ не рассматривалось ввиду сравнительно небольшой их концентрации (по этому поводу см. [9,10]). Рекомбинационный континуум при захвате электрона в k-состояние рассчитывался с использованием сечения фотоионизации sigma_k^ph соответствующего уровня [!b] [width=]23399-1.eps Временная зависимость основных параметров плазмы. 1 - I/I_max, 2 - T₀·0.5/T_0max, 3 - E/E_max, 4 - P/P_max; T₀ - температура на оси разряда, T_0max=5900 K. W^(k)_rec = sqrt((2)/(pi mk_BT))sqrt Здесь m - масса электрона, n_e=n_i - концентрация плазмы, g_k и E^(k)_ion - статистический вес и энергия ионизации атома Na в k-состоянии, varepsilon=xk_BT - энергия рекомбинирующего электрона. Сечения фотоионизации nS-, nP (n<=3)- и 3D-состояний заимствованы из [11-14], а для nD, nF (n<=4) и nG (n<=5) использовались значения сечений в квазиклассическом приближении для водородоподобных атомов [15]. При вычислении радиационных потерь учитывалось, что в дискретном спектре реализуются лишь те возбужденные состояния атомов Na, для которых эффективное главное квантовое число n_l<n_max, где n_max определялось по формуле Инглиса-Теллера n_max=0.5l(a³₀n_er)^-2/15, a₀ - радиус Бора. [!b] [width=]23399-2b.eps Радиальные распределения параметров плазмы. а - температура в различные моменты времени от начала импульса (на кривых указано время в единицах импульсов t/t_i); б - концентрация n_e и n₀=n_i+n_Na, давление P₀=P_i+P_Na и P_Xe· 2 в момент времени t=t_i: 1 - P₀, 2 - P_Xe, 3 - n₀, 4 - n_Xe, 5 - n_e. 3. На рис. 1, 2 приведены результаты расчетов основных параметров плазмы разряда для значения мощности W=34 Вт/см. Форма импульса тока подбиралась такой, чтобы за время t/t_i~0.1 происходил быстрый разогрев холодной плазмы дежурного разряда до высоких температур, а затем температура возможно большей части плазмы была одинаковой по радиусу трубки и не менялась в течение импульса (рис. 1 и 2, а). При этом горячая излучающая плазма занимает к концу импульса большую часть трубки и отделена от ее стенок значительно более плотным и холодным газом (рис. 2, б). Соответствующая форма импульса включает в себя участок 0=< t/t_i=<0.1 быстрого нарастания тока от значения I(0)=0.1 A в дежурном разряде до I(0.1)=5 A и участок 0.1=< t/t_i=<1.0 последующего более плавного роста тока до I_max=20 A. Отметим, что величина напряженности продольного электрического поля E имеет характерный для импульсного режима резкий максимум (E_max=129 В/см) в самом начале импульса. Величина же полного давления P меняется в течение импульса относительно плавно (P_max=863 Тор). На рис. 3, а приведены расчеты долей мощности, вкладываемой в плазму, выносимых линейчатым излучением в видимом eta_vis и невидимом eta_unvis спектре, в рекомбинационном континууме eta_rec и тепловым излучением стенок трубки eta_w. Величина eta_vis включает в себя излучение, соответствующее переходам 5D->3P (498 нм), 6S->3P (515 нм), 4D->3P (569 нм), 3P->3S (589 нм) и 5S->3P (616 нм). Поскольку в видимую часть спектра попадает и часть рекомбинационного континуума, соответствующая захвату электронов в 3D- и 4P-состояния, то энергетический КПД лампы в видимой области спектра будет несколько больше eta_vis. На рис. 3, б приведены зависимости от мощности W температуры T_* горячей плазмы на оси разряда в момент окончания импульса, температуры стенок трубки T_w и количества натрия C_Na, приходящегося на единицу длины трубки [!tb] [width=]23399-3b.eps Зависимость от мощности W баланса энергии ( а) и параметров разряда ( б). а: 1 - eta_vis, 2 - eta_unvis, 3 - eta_rec, 4 - eta_w; б: 1 - T_*·0.25, 2 - T_w, 3 - C_Na. C_Na = 2pi P_sat ^R₀ rT^-1dr. Здесь T(r) - профиль температуры в дежурном разряде перед импульсом. Видно, что с повышением мощности W увеличивается разогрев плазмы и стенок трубки. В рамках принятой модели это и приводит к зависимости C_Na от W. Таким образом, импульсный излучающий разряд в смеси натрия с ксеноном при оптимизации формы и скважности импульсов обладает заметно большим энергетическим КПД в видимой области спектра по сравнению со стационарным разрядом. В заключение авторы благодарят В.Г. Иванова и В.Б. Каплана за полезные обсуждения работы.

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.