Вышедшие номера
Баланс энергии импульсного излучающего разряда в смеси паров натрия с ксеноном
Бакшт Ф.Г.1, Лапшин В.Ф.1
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию: 29 июля 1996 г.
Выставление онлайн: 20 августа 1997 г.

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 Psat у наиболее холодной части трубки с температурой Tcold. Предполагалось, что Tcold=Tw-300 K, где Tw --- 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 ti=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 sigmakph соответствующего уровня [!b] [width=]23399-1.eps Временная зависимость основных параметров плазмы. 1 --- I/Imax, 2 --- T0·0.5/T0max, 3 --- E/Emax, 4 --- P/Pmax; T0 --- температура на оси разряда, T0max=5900 K. W(k)rec = sqrt((2)/(pi mkBT))sqrt Здесь m --- масса электрона, ne=ni --- концентрация плазмы, gk и E(k)ion --- статистический вес и энергия ионизации атома Na в k-состоянии, varepsilon=xkBT --- 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 nl<nmax, где nmax определялось по формуле Инглиса--Теллера nmax=0.5l(a30ner)-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/ti); б --- концентрация ne и n0=ni+nNa, давление P0=Pi+PNa и PXe· 2 в момент времени t=ti: 1 --- P0, 2 --- PXe, 3 --- n0, 4 --- nXe, 5 --- ne. 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/ti~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/ti=<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/ti=<1.0 последующего более плавного роста тока до Imax=20 A. Отметим, что величина напряженности продольного электрического поля E имеет характерный для импульсного режима резкий максимум (Emax=129 В/см) в самом начале импульса. Величина же полного давления P меняется в течение импульса относительно плавно (Pmax=863 Тор). На рис. 3, а приведены расчеты долей мощности, вкладываемой в плазму, выносимых линейчатым излучением в видимом etavis и невидимом etaunvis спектре, в рекомбинационном континууме etarec и тепловым излучением стенок трубки etaw. Величина etavis 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 etavis. На рис. 3, б приведены зависимости от мощности W температуры T* горячей плазмы на оси разряда в момент окончания импульса, температуры стенок трубки Tw и количества натрия CNa, приходящегося на единицу длины трубки [!tb] [width=]23399-3b.eps Зависимость от мощности W баланса энергии ( а) и параметров разряда ( б). а: 1 --- etavis, 2 --- etaunvis, 3 --- etarec, 4 --- etaw; б: 1 --- T*·0.25, 2 --- Tw, 3 --- CNa. CNa = 2pi Psat 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 CNa 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.
  1. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991. 720 с
  2. Айзенберг Ю.В. // Светотехника. 1993. N 5--6. С. 1--17
  3. Горнов В.О. // Светотехника. 1994. N 1. С. 19--28. Там же. 1995. N 1. С. 24--28. Там же. 1995. N 9. С. 24--27
  4. Алышев С.В., Кокинов А.М., Кирдяшкина Л.И., Меркушкин В.В. // Светотехника. 1995. N 10. С. 6--9
  5. Бакшт Ф.Г., Лапшин В.Ф. // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 11. С. 170
  6. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 376 с
  7. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979. 319 с
  8. Грим Г. Уширение линий в плазме. М.: Мир, 1978. 425 с
  9. York G., Scheps R., Gallagher A. // J. Chem. Phys. 1975. Vol. 63. N 3. P. 1052--1063
  10. Галлагер А. // Эксимерные лазеры. М.: Мир, 1981. 245 с
  11. Aumar M., Luc-Koenig E., Combet Farnoux F. // J. Phys. B. 1976. Vol. 9. N 8. P. 1279--1291
  12. Aumar M. // J. Phys. B. 1978. Vol. 11. N 8. P. 1413--1423
  13. Msezane A.Z., Manson S. // Phys. Rev. A. 1984. Vol. 30. N 4. P. 1795--1799
  14. Preses J.M., Burkhardt C.E., Corey R.L. et al. // Phys. Rev. A. 1985. Vol. 32. N 12. P. 1264--1266
  15. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: Наука, 1977. 320 с

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.