WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

на правах рукописи Свитнев Сергей Александрович

ЭФФЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.09.07 – «Светотехника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012 Диссертация выполнена на кафедре Светотехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный консультант: к.ф.-м.н., доцент каф. Светотехники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Попов Олег Алексеевич

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор, заведующий каф.

«Общей и теоретической физики» Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина Степанов Владимир Анатольевич.

к.ф.-м.н., старший научный сотрудник каф. «Физической электроники» физического факультета Московского государственного университета им.

М.В. Ломоносова Павлов Владимир Борисович.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Защита диссертации состоится « 31 » мая 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корпус Е, ауд. Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул.

Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « ___ » апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации Газоразрядные лампы, использующие принцип индукционного возбуждения разряда низкого давления в смеси паров ртути и инертного газа являются весьма молодым и перспективным направлением источников ультрафиолетового излучения. Их отличает большой срок службы (до сотен тысяч часов), низкие давления инертных газов (0.1-0.3 Торр), на которых достигается высокий КПД генерации излучения на длинах волн 184.9 нм и 253.7 нм, возможность работать на высоких мощностях 150-500 Вт. Особый интерес представляют линейные (трубчатые) индукционные ртутные лампы без магнитного усиления (ферромагнитных сердечников или магнитопроводов), которые отличаются высоким КПД генерации ультрафиолетового излучения и большим сроком службы (до 60000 ч). Они могут использоваться, например, в установках для обеззараживания воды или воздуха, с успехом заменяя короткоживущие источники ультрафиолетового излучения на основе газоразрядных ламп с внутренними электродами. В связи с этим, представляют несомненный интерес экспериментальные и теоретические исследования газоразрядных индукционных бесферритных источников ультрафиолетового излучения при различных режимах работы.

В настоящей работе в качестве объекта исследований была выбрана трубчатая бесферритная индукционная УФ-лампа, наполненная смесью аргона (давление около 10-50 Па) и ртути (около 1 Па). Отличительная особенность данного источника излучения заключается в том, что индуктор охватывает разрядную колбу по ее периметру, т.е. провода обмотки индуктора идут вдоль оси колбы. От других бесферритных индукционных ламп данный источник излучения выгодно отличает простота конструкции и технологичность. Длина ламп обычно составляет 30-50 см, диаметр – 3-7 см. Разряд в лампе возбуждается на частотах порядка нескольких МГц при мощностях 150-500 Вт.

Данный тип индукционных источников излучения был впервые предложен в конце прошлого века Поповым О.А.

К сожалению, на настоящий момент практически полностью отсутствуют какие-либо теоретические исследования поведения данного источника УФизлучения при вариации условий разряда. Кроме того, основной массив экспериментальных данных, характеризующий работу ламп этого типа при различных условиях разряда, был получен для ламп диаметром более 50 мм.

Здесь необходимо отметить, что в современных установках по обеззараживанию воды, которые являются одной из основных возможных областей применения трубчатых индукционных источников УФ-излучения, не используются лампы диаметром выше 40 мм. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования трубчатых индукционных ламп с индуктором, намотанным вдоль оси трубки, являются необходимым условием для разработки эффективных вариантов ламп данного типа.

Целями настоящей работы являются математическое моделирование и экспериментальные исследования поведения трубчатой индукционной УФлампы с индуктором, намотанным вдоль оси разрядной колбы, при различных условиях разряда. Данная лампа является достаточно новым и малоисследованным источником УФ-излучения, поэтому для ее эффективного использования необходимо детальное понимание физики индукционного разряда в колбах, наполненных смесью аргона с ртутью, при выбранной конфигурации индуктора. Кроме того, необходимым является знание основных закономерностей, связывающих выход ультрафиолетового излучения и условия разряда. Знание этих закономерностей позволяет производить отбор наиболее оптимальных условий работы лапы и создавать высокоэффективные источники УФ-излучения на основе разряда данного типа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. В рамках диссертационной работы впервые предложена электродинамическая модель для расчета распределения напряженности электрического поля по сечению разрядной трубки в индукционной ртутноаргоновой плазме, возбуждаемой током в индукторе, провод которого расположен по периметру разрядной трубки (намотка осуществлялась вдоль оси трубки).

2. Впервые был проведен расчет и анализ зависимости пространственной неоднородности напряженности электрического поля в бесферритной замкнутой трубке от внешних параметров разряда – частоты питающего напряжения, мощности лампы, диаметра разрядной колбы, давления ртути и аргона.

3. Впервые была создана замкнутая математическая модель для расчета внутренних параметров плазмы индукционного разряда (концентрации электронов, концентрации возбужденных атомов ртути и электронной температуры) и мощности УФ излучения, выходящего из плазмы для индукционных ламп выбранного типа.

4. Впервые с помощью математического моделирования было показано, что у выхода излучения резонансной линии ртути 184.9 нм наблюдаются два максимума при вариации давления паров ртути.

5. Впервые были проведены экспериментальные исследования параметров и характеристик индукционных ламп выбранного типа с колбами малых диаметров – 32 мм и 38 мм.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Замкнутая математическая модель индукционного трубчатого источника УФ-излучения, позволяющая рассчитывать характеристики данного источника в широком диапазоне условий разряда.

2. Полученная в результате моделирования пространственная зависимость напряженности электрического поля и объемной плотности мощности индукционного разряда от положения точки, для которой ведется расчет, внутри колбы лампы.

3. Полученная в результате моделирования сложная зависимость выхода резонансного излучения ртути с длиной волны 184.9 нм от давления паров ртути.

4. Результаты расчетов электрических и оптических характеристик УФ-лампы при вариации мощности лампы, диаметра колбы лампы, давлений ртути и аргона, числа витков в индукторе и рабочей частоты.

5. Зависимость длины излучающей части лампы от диаметра колбы лампы, давления аргона и мощности лампы.

6. Результаты экспериментальных исследований оптических и электрических характеристик УФ-ламп малых диаметров (32-38 мм) от мощности лампы и давления аргона.

Достоверность полученных результатов определяется следующими факторами:

1. Результаты, полученные с помощью математического моделирования, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. По результатам модельных расчетов на базе производственных мощностей ООО «СОВВ» разработана и создана партия экспериментальных ламп малых диаметров (32-38 мм).

3. Сравнение модельных расчетов и результатов измерений параметров экспериментальных ламп показало хорошее качественное и количественно совпадение.

4. Измерения проводились на большом количестве экспериментальных образцов с применением современного высокоточного измерительного оборудования.

Научная ценность результатов, полученных в диссертации, заключается в разработке замкнутой математической модели индукционной лампы, которая позволяет предсказывать изменение характеристик данного типа ламп при вариации условий разряда. Отличительная особенность модели – учет отличия функции распределения электронов по энергиям от равновесной и анализ процессов переноса резонансного излучения плазмы на основе численного решения уравнения Бибермана-Холстейна. Данную модель можно распространить на индукционные лампы других типов. В диссертации в рамках разработанной математической модели впервые рассчитано пространственное распределение напряженности электрического поля и объемной плотности электрической мощности внутри колбы индукционной лампы выбранного типа.

Знание данных параметров является необходимым условием для оптимизации контура возбуждения индукционного разряда.

Практическая значимость результатов заключается в определении на основе экспериментальных исследований и численного моделирования оптимальных условий генерации УФ-излучения плазмой индукционного разряда. Полученные закономерности могут послужить основой для разработки высокоэффективных индукционных источников УФ-излучения и для инженерных расчетов параметров индукционных ламп.

Личный вклад автора:

Экспериментальные результаты, описанные в работе, получены автором самостоятельно. Численные расчеты выполнены автором самостоятельно с использованием самостоятельно разработанной и отлаженной математической модели.

Апробация и внедрение результатов работы:

Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах на кафедре Светотехники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», в ООО «СОВВ» и на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2008.

2. Научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2009.

3. 15-я международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2009.

4. 16-я международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2011.

5. 7-я международн. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Саранск, Ноябрь 2009.

На основании результатов работы в ООО «СОВВ» была разработана серия опытных индукционных ламп диаметром 38 мм, область использования которых – малые установки по обеззараживанию воды.

Полученные в диссертации результаты используется в следующих курсах лекций на кафедре Светотехники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»: «Источники оптического излучения», «Расчет и конструирование источников света», «Тенденции развития источников света и пускорегулирующей аппаратуры», а так же в курсовых проектах, дипломном проектировании и учебном пособии "Индукционные источники света" (Попов О.А, изд. МЭИ, 2010).

Список основных публикаций:

По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах [1,2], одна в нерецензируемом журнале [3] и 5 в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций [4-8].

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы.

Работа изложена на 154 страницах текста, содержит 97 рисунков и 5 таблиц.

Список литературы изложен на 9 страницах текста и насчитывает 1наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цели работы и задачи, подлежащие решению, обоснована научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава содержит анализ литературных данных, посвященных генерации УФ-излучения ртутным разрядом низкого давления и его применениям. Здесь, сперва, рассматриваются классификация УФ-излучения и механизмы обеззараживания УФ-излучением. При этом выясняется, что степень обеззараживания прямо пропорциональна КПД генерации УФизлучения резонансной линии ртути 253.7 нм.

В следующем параграфе первой главы рассматриваются принципы функционирования традиционных источников УФ-излучения с внутренними электродами, работающих на основе разряда низкого давления в парах ртути с добавлением инертного газа. Показано, что ртутно-аргоновый разряд низкого давления является эффективным источником УФ-излучения. При этом оптимальное с точки зрения выхода УФ-излучения давление паров ртути обычно составляет 0.5-1.5 Па. Спектр ртутно-аргонового разряда содержит две интенсивные резонансные линии ртути 253.7 нм и 184.9 нм, при этом линия 253.7 нм находится вблизи максимума кривой бактерицидной эффективности.

Кроме того, КПД генерации линии 253.7 нм в разряде низкого давления заметно превосходит КПД генерации линии 184.9 нм и может достигать величины 35-50%, что способствует широкому использованию ртутных источников УФ-излучения для обеззараживания воды и воздуха.

Показано, что для мощных УФ-ламп вместо металлической ртути целесообразно использовать амальгаму, позволяющую поддерживать оптимальное давление паров ртути при повышенных температурах колбы.

В качестве материала, из которого изготавливаются колбы УФ-ламп, обычно применяется кварцевое стекло, хорошо пропускающее УФ-излучение.

При этом внутренняя поверхность стекла покрывается защитной оксидной пленкой, препятствующей взаимодействию кварца с ионами ртути. При этом наибольший эффект от применения покрытия достигается при массе атомов покрытия максимально близкой к массе атомов ртути, максимальной плотности упаковки атомов покрытия и большой толщине защитного слоя.

При анализе литературы было выяснено, что КПД генерации УФизлучения в ртутно-аргоновом разряде растет с уменьшением давления аргона в диапазоне 10-100 Па. В то же время, скорость деградации электродов, определяющая срок службы лампы, обратно пропорциональна давлению аргона. Соответственно, при разработке источников излучения с внутренними электродами приходится выбирать между сроком службы (обычно 8-12 тыс.

часов) и эффективностью генерации УФ-излучения. От этого недостатка свободны безэлектродные источники УФ-излучения на основе индукционного ртутно-аргонового разряда, в которых можно варьировать давление аргона в широких пределах без опасности уменьшения срока службы, достигающего для индукционных ламп 60 тыс. часов.

Далее в первой главе приводятся характеристики основных типов индукционных ламп и краткое описание физики их работы. Рассматриваются трансформаторная модель индукционного разряда и роль емкостного разряда в зажигании лампы. Показано, что трансформаторная модель не позволяет получить никакой информации о микропараметрах разряда – функции распределения электронов по энергиям, концентрации электронов и возбужденных атомов, температуре электронов и газа и т.д. Кроме того, трансформаторная модель не позволяет оценить выход излучения из плазмы и определить эффективность источника излучения в целом. Поэтому в настоящее время все большее внимание уделяется разработке математических моделей безэлектродных источников излучения, опирающихся на детальный анализ процессов, происходящих в индукционной плазме.

В соответствии со сказанным выше, в первой главе приводится система уравнений, описывающая поведение ртутно-аргоновой индукционной плазмы низкого давления. Она базируется на уравнениях баланса образования и разрушения возбужденных атомов ртути, уравнении баланса заряженных частиц, уравнении баланса мощности в плазме индукционного разряда и волновом уравнении, определяющем связь напряженности электрического поля в плазме с параметрами индуктора.

Далее в главе 1 рассматривается механизм переноса резонансного излучения ртути в плазме ртутно-аргонового индукционного разряда. Показано, что резонансные линии ртути 184.9 нм и 253.7 нм имеют сложную структуру из-за наличия в природной ртути 7 изотопов. Контур излучения спектральных линий является Фойгтовским и определяется уширением Доплера, естественным уширением, резонансным уширением и ударным уширением, вызванным взаимодействием атомов ртути и атомов аргона. Здесь же рассматриваются способы решения уравнения Бибермана-Холстейна, описывающего процессы оптического возбуждения атомов ртути.

Последний параграф первой главы посвящен описанию процессов формирования функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в ртутно-аргоновом разряде низкого давления. Здесь показана принципиальная необходимость учета отличия ФРЭЭ от равновесной за порогом возбуждения атома ртути (4.7 эВ).

Таким образом в первой главе показана необходимость построения математической модели, позволяющей предсказывать изменение поведения индукционной ртутно-аргоновой УФ-лампы при вариации условий разряда, и приведена система уравнений, полученная на основе обобщения литературных данных, позволяющая реализовать такую модель.

Вторая глава посвящена разработке замкнутой математической модели трубчатой индукционной УФ-лампы с обмоткой индуктора, намотанной вдоль оси колбы. Конструкция такой лампы схематично изображена на рис.1.

Рис.1. Эскиз индукционной УФ-лампы с индуктором, намотанным вдоль оси колбы.

Электрическое поле внутри разрядной трубки неоднородно по ее сечению и направленно параллельно проводам катушки. Напряженность поля максимальна вблизи витков индуктора и спадает до нуля в центре колбы.

В главе 2 показано, что распределение напряженности электрического поля внутри колбы лампы в предположении того, что длина лампы существенно больше ее диаметра, описывается следующим дифференциальным уравнением:

2E 2E m,z m,z 00 1 ( j0)1 2E m,z x2 y(1) 2 j0nI 2 x R2 Rind, y x R2 Rind, y.

инд Здесь E – проекция комплексной амплитуды напряженности электрического m,z поля на ось z, направленную вдоль оси лампы, x и y – координаты в плоскости, перпендикулярной оси лампы, – проводимость плазмы, – круговая частота тока в индукторе I, n – число витков в обмотке индуктора, j – мнимая инд единица, 0,0 – магнитная и диэлектрическая постоянные, – дельтафункция Дирака, R2 – внешний радиус разрядной колбы, Rind – эффективный радиус пучка проводов обмотки индуктора.

Для решения уравнения (1) были использованы следующие граничные условия:

E 0, (2) m,z x2 y2 1м эквивалентные работе лампы внутри заземленного цилиндрического короба из металла радиусом 1 м.

Проводимость плазмы определялась соотношением ene(x, y)e, ne(x, y) – концентрация электронов, e – подвижность электронов.

При расчетах предполагалось, что концентрацию электронов в разряде описывается функцией Бесселя нулевого порядка:

ne(r) ne0J0(r / R), r x2 y2, (3) где – коэффициент, учитывающий отличие концентрации электронов вблизи стенок от нуля, определяемый из граничного условия ikT kT e e J0(r / R) J0( ).

(4) e r Mi rR В (4) i и Mi – подвижность и масса иона ртути, T – температура электронов.

e Рассчитанные для P1 375Вт м1 (удельная мощность разряда), f 1МГц, n 8 (число витков в индукторе) R 2.5см, pHg 0.85Па, pAr 13.3Па, I 6.67А, ne0 1.051018м3, Т 13000К, T 60C инд е распределения напряженности электрического поля и объемной плотности мощности в плазме показаны на рис.2.

б) а) Рис.2. Пространственное распределение модуля напряженности электрического поля в плазме а) и объемной плотности мощности б).

Как можно видеть из рис.2, напряженность электрического поля максимальна у стенок трубки в месте расположения провода катушки и быстро спадает по сечению плазмы. В то же время, максимум объемной плотности мощности слегка сдвинут от стенок трубки к ее центру ввиду малости концентрации электронов вблизи стенок. Из-за симметрии разряда напряженность поля и объемная плотность мощности равны нулю при x 0.

При анализе результатов решения уравнения (1) в широком диапазоне условий разряда был сделан вывод, основная «накачка» энергии ВЧ-поля в плазму исследуемого индукционного разряда происходит вблизи стенок трубки. На средних давлениях газа, где длина релаксации электронов по энергиям не превышает диаметр трубки, этот эффект может стать причиной существенной пространственной неоднородности функции распределения электронов по энергиям и, соответственно, пространственной неоднородности объемной плотности потока излучения плазмы.

В следующем параграфе главы 2 приводится система уравнений баланса образования и разрушения возбужденных атомов, записанная для упрощенной 6-уровневой схемы атома ртути, учитывающей 63 P0,1,2, 61P1, 73S1 и 63 D состояния. Перенос резонансного излучения ртути в этой системе уравнений учитывался членами divQp,185 и divQp,254, представляющими собой дивергенции плотностей потоков резонансных фотонов с соответствующими длинами волн (184.9 нм и 253.7 нм).

divQp,185 определялась с помощью метода местной эффективной продолжительности жизни возбужденного состояния ртути 61P1. Для расчета divQp,254 использовался строгий интегральный подход, основанный на решении уравнения Бибермана-Холстейна с использованием метода Севестьяненко В.Г.

При этом в цилиндрической системе координат divQp,254 записывалась следующим образом:

divQp,254(r) A20n2(r) som(r) sim(r,n2), где (5) som(r) (6) P( )G (k( )r())dd, r( ) 1 n2() sim(r,n2) (7) 1 k( )G0(k( ))ddd, P( ) n2(r) 0 Gn(x) sinn exp x /sin d, (8) (9) r() r cos r2 cos2 R2 r2, (10) r2 2 2r cos.

Здесь k( ) – спектральный коэффициент поглощения в пределах спектральной линии, P( ) – контур линии, n2 – концентрация возбужденных атомов ртути в состоянии 63P1.

Использование вышеописанного метода позволяло избежать погрешностей при расчете divQp,254 непосредственно из уравнения Бибермана-Холстейна A20 n2(r`) divQp,254(r ) A20n2(r ) P( )k( )exp k( ) r r` ddV, (11) 4 r r` V обусловленной наличием в правой части (11) разницы близких величин.

Для того чтобы найти решение интегрального уравнения, описывающего перенос резонансного излучения ртути, n2(r) записывалась как суперпозиция полиномов n2(r) (1 (/ R)2)k k 1.

C k (12) k Далее аппроксимация (12) подставлялась в (5) и, с учетом уравнения баланса образования и разрушения соответствующего возбужденного уровня атома ртути, для массива узловых точек rk записывалась система линейных алгебраических уравнений, позволяющая определить коэффициенты Ck.

Пример рассчитанной divQp,254 приведен на рис.3. Расчет проводились для следующих условий разряда: P1 625Вт м1, f 1МГц, n 8, R 2.5см, pHg 0.85Па, pAr 13.3Па, T 60C.

Рис.3. Дивергенция вектора плотности потока фотонов резонансной линии 253.7 нм.

Из рисунка видно, что divQp,254(r) вблизи стенок разрядной трубки начинает резко спадать и в какой-то момент становится отрицательной. Это означает, что вблизи трубки, в области малых значений концентрации возбужденных атомов ртути в состоянии 63P1, процессы поглощения преобладают над процессами генерации резонансных фотонов линии 253.7 нм.

Следующий вопрос, рассмотренный в главе 2 – метод расчета ФРЭЭ исходя из решения локального кинетического уравнения Больцмана. Показано, что функция распределения электронов по скоростям (ФРЭС) определяется следующим уравнением:

e2E2 1 mv2 fe0(v) C0 0, m m,Hg m,Ar, (13) 2 3me v2 v 2 v m С0 CHg, упр CAr, упр CHg,неупр Cee, (14) где С0 – сумма интегралов упругих, неупругих и электрон-электронных столкновений, – круговая частота поля, , – транспортные частоты m,Hg m,Ar упругого рассеяния электронов на ртути и на аргоне, E – действующее значение напряженности электрического поля;

Для решения уравнения (13) был выбран следующий алгоритм: используя функцию Максвелла в качестве начального приближения, можно рассчитать величину С0, содержащую интегралы от неизвестной функции fe0(v). Тогда вместо интегро-дифференциального уравнения будем иметь дифференциальное уравнение (ДУ) второго порядка. Его можно решить, используя, например, метод конечных разностей. Полученную в результате решения ДУ функцию распределения необходимо использовать в качестве нового начального приближения для расчета С0, затем необходимо снова решить дифференциальное уравнение и т.д.

От функции распределения электронов по скоростям целесообразно перейти к функции распределения по энергиям. В таком случае условие нормировки для ФРЭЭ запишется следующим образом:

m v3 e 2 e me fe0(U ) U dU 1, U .

(15) 2e 3 Рис.4. Зависимость fe (U ) 2 e me U fe0(U ) от энергии электронов U.

3 На рис.4 представлены рассчитанная ФРЭЭ fe(U ) 2 e me U fe0(U ) и распределение Максвелла. Расчеты проводились для условий, характерных для ртутно-аргонового индукционного разряда низкого давления:

E 61В м, ne,средн 11012cм-3, T 340K, T 13000K, pHg 0.85Па, средн e pAr 13.3Па, 2 c1.

Видно, что рассчитанная ФРЭЭ обеднена по сравнению с максвелловской быстрыми электронами с энергиями U > 4.7 эВ. Это означает, что при использовании в расчетах равновесной ФРЭЭ, скорости возбуждения 63 P0, 63 P1, 63 P2, 61P1, 73 S1 и 63D1,2,3 состояний атома ртути будут существенно завышены. В то же время, при расчете скоростей процессов, обусловленных взаимодействием атомов с медленными электронами, допустимо использование функцию Максвелла.

Далее в главе 2 показано, что совместное решение волнового уравнения (1), уравнений баланса образования и разрушения возбужденных атомов ртути, уравнения радиационного переноса (5), кинетического уравнения (13) совместно с уравнением баланса мощности R R2 x2 R dydx 2 (r)e(r)rdr Re (x, y) Em,z (x, y) (16) e n 2 R R2 xпозволяет определять микрохарактеристики индукционной плазмы при вариации условий разряда. В (16) e(r) – сумма упругих, неупругих и рекомбинационных потерь мощности в расчете на один электрон.

Удельную мощность УФ-излучения можно рассчитать следующим образом:

R R 4 2(17) p,254 p,1divQ (r)rdr, 185 2185divQ (r)rdr.

0 Здесь – постоянная Планка, 185 и 4 – частоты, соответствующие центрам резонансных линий ртути.

Таким образом, в главе 2 разработана математическая модель плазмы индукционного разряда низкого давления, позволяющая исследовать поведение индукционного источника УФ-излучения при f 110 МГц, pAr 10 100 Па, R 1 3 см и P1 100 1000 Вт/м.

Примеры расчетов с использованием данной модели приведены на рис.5.

а) б) в) г) Рис.5. Зависимость КПД генерации УФ-излучения резонансных линий ртути а) и тока в индукторе б) от мощности лампы для различных диаметров колбы.

Зависимость КПД генерации УФ-излучения резонансных линий ртути в) и тока в индукторе г) от мощности лампы для различных рабочих частот.

При расчетах давление паров ртути выбиралось близкое к оптимальному – 1.Па, температура стенок колбы задавалась равной 600C, длина лампы – 30 см, давление аргона – 0.1 Торр, число витков индуктора – 2.

Из рис.5 видно, что КПД генерации УФ-излучения увеличивается с ростом диаметра колбы и рабочей частоты. При этом в области мощностей лампы 4560 Вт наблюдается максимум эффективности генерации УФ-излучения.Данный максимум обусловлен наличием минимума тока в индукторе и, следовательно, минимума потерь мощности в индуктивной катушке.

На основе математического моделирования в главе 2 была проведена оценка эффективности генерации УФ-излучения в индукционной лампе исследуемого типа. Расчеты показали, что КПД генерации УФ-излучения с длиной волны 253.7 нм при удельных мощностях 200 Вт/м близок к 45%, а при мощностях 500 Вт/м падает до 30%. Отметим, что для традиционных (с двумя электродами) источников УФ-излучения, работающих на ртутном разряде низкого давления, КПД генерации излучения с длиной волны 253.7 нм не превосходит 35% при удельных мощностях порядка 200 Вт/м. Таким образом, индукционные лампы исследуемого типа могут быть существенно более компактными при сохранении такой же эффективности, как и традиционные ламы.

При теоретическом исследовании закономерностей генерации вакуумного ультрафиолета (ВУФ) с длиной волны 184.9 нм было установлено, что у выхода ВУФ-излучения наблюдаются 2 максимума при различных температурах холодной зоны, определяющих давление паров ртути в лампе. Этот эффект иллюстрируется рис.6.

Рис.6. Зависимость удельных потоков излучения резонансных линий ртути от температуры холодной зоны.

В результате математического моделирования индукционной УФ-лампы было установлено, что зависимость тока в индукторе от мощности лампы имеет минимум, а зависимость КПД генерации УФ-излучения (КПД-УФ) – максимум при удельных мощностях около 180-220 Вт/м. Минимум тока и максимум КПДУФ смещаются в область больших мощностей с уменьшением диаметра колбы, уменьшением рабочей частоты и количества витков в индукторе. КПД-УФ при этом уменьшается, а ток в индукторе – увеличивается. Также показано, что уменьшение давления аргона с 1 Торр до 0.1 Торр приводит к увеличению КПД-УФ.

Также в главе 2 показана необходимость экспериментальных исследований поведения ламп малых диаметров (менее 40 мм) при вариации условий разряда.

Это обусловлено тем, что в современных установках по обеззараживанию воды не используются трубчатые УФ-лампы диаметром более 40 мм.

В третьей главе приводится описание методики измерений КПД-УФ в лампах с диаметрами 38 мм и 32 мм.

Схема разработанной экспериментальной установки приведена на рис.7.

Рис.7. Схема экспериментальной установки.

Исследуемая лампа помещалась в заземленный металлический ящик размерами 2м 0.7м 0.7м с черными стенками. В непосредственной близости от лампы находилось согласующее устройство, образованное переменными воздушными конденсаторами С1 5 500пФ и С2 5 500пФ, необходимое для согласования выходного сопротивления мощного генератора AG 1012-фирмы T&C Power Conversion, равного 50 Ом, с сопротивлением индуктора, носящим, преимущественно, индуктивный характер. Генератор работал на фиксированной частоте 13.56 МГц. Внутрь генератора встроены ваттметры прямой и отраженной волны, с помощью которых производились измерения мощности, потребляемой нагрузкой. При этом предполагалось, что потери энергии в согласующем устройстве существенно меньше потерь в индукторе лампы. Измерение напряжения на катушке индуктора производилось с помощью цифрового широкополосного осциллографа Tektronics TDS640A, оснащенного высоковольтным щупом. Вентилятор В и нагреватель из нихромовой проволоки, намотанной на отросток с амальгамой, использовались для изменения температуры холодной зоны и вариации давления ртути в колбе лампы. Поток УФ-излучения определялся косвенным методом с использованием откалиброванной фотометрической головки ФГ радиометра IL1700. При этом предполагалось, что распределение излучения лампы в пространстве является косинусным.

На рис.8. показаны измеренные зависимости КПД-УФ для резонансной линии ртути 253.7 нм от мощности лампы. Видно, что наблюдается хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

б) а) Рис.8. Зависимость КПД-УФ от мощности лампы при различных давлениях аргона.

Диаметр лампы 38 мм а) и 32 мм б).

В главе 3 на основе проведенных экспериментов было установлено, что в лампе диаметром 38 мм можно получить достаточно большой КПД генерации УФ-излучения – 32-33% при удельной мощности лампы около 375 Вт/м.

Большой КПД достигается за счет увеличения длины лампы и уменьшения удельной мощности разряда. С уменьшением диаметра до 32 мм КПД-УФ спадет до 26-27%. Также было установлено, что при небольших мощностях плазма заполняет разрядную трубку не полностью. При этом пороговая мощность, при которой плазма полностью заполняет объем колбы лампы, существенно увеличивается при переходе к меньшим диаметрам и меньшим давлениям аргона (см. рис.9). При уменьшении диаметра колбы и давления аргона также увеличивается напряжение на обмотке индуктора, что иллюстрируется рис.10. Как показали эксперименты, работа лампы при мощности ниже пороговой не отличается высокой стабильностью, т.к. область, занимаемая плазмой, может перемещаться их одного конца лампы в другой. Из вышесказанного следует, что уменьшение диаметра колбы ниже 32 мм не представляется целесообразным.

б) а) Рис.9. Зависимость длины излучающей части колбы от мощности лампы при различных давлениях аргона. Диаметр лампы 38 мм а) и 32 мм б).

а) б) Рис.10. Зависимость напряжения на обмотке индуктора от мощности лампы при различных давлениях аргона. Диаметр лампы а) 38 мм, б) 32 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Разработана замкнутая математическая модель индукционного трубчатого источника УФ-излучения, позволяющая рассчитывать характеристики данного источника в широком диапазоне условий разряда.

2. На производственных мощностях ООО «СОВВ» созданы экспериментальные лампы малых диаметров, показавшие хорошую эффективность. Так, для ламы диаметром 38 мм можно получить КПД генерации УФ-излучения с длиной волны 253.7 нм выше 33% при удельной мощности лампы около 375 Вт/м и давлении аргона 0.1 Торр.

3. Было установлено, что напряженность электрического поля максимальна у стенок трубки в месте расположения провода катушки и быстро спадает по сечению плазмы. В то же время, максимум объемной плотности мощности слегка сдвинут от стенок трубки к ее центру. Таким образом, основная «накачка» энергии ВЧ-поля в плазму индукционного разряда происходит вблизи стенок трубки.

4. При теоретическом исследовании закономерностей генерации вакуумного ультрафиолета с длиной волны 184.9 нм было установлено, что у выхода ВУФизлучения наблюдаются 2 максимума при различных температурах холодной зоны (давлениях ртути). Для низкотемпературного максимума характерны значения КПД генерации ВУФ-излучения около 11%, для высокотемпературного максимума – около 13% при удельной мощности разряда 500 Вт/м и давлении аргона 0.1 Торр.

5. Установлено, что зависимость тока в индукторе от мощности лампы имеет минимум, а зависимость КПД генерации УФ-излучения – максимум при удельных мощностях около 180-220 Вт/м. Минимум тока и максимум КПД-УФ смещаются в область больших мощностей с уменьшением диаметра колбы, числа витков в обмотке индуктора и рабочей частоты. Во всех трех случаях КПД-УФ уменьшается.

6. С уменьшением давления аргона с 0.6 до 0.1 Торр также наблюдается увеличение КПД генерации УФ-излучения обеих резонансных линий ртути. С другой стороны, уменьшение давления аргона приводит к увеличению пускового тока в индукторе и напряжения на катушке индуктора в момент зажигания индукционного разряда. Поэтому давление аргона в колбах индукционных ламп не целесообразно опускать ниже pAr 0.05 Торр.

7. Для ламп диаметрами 60-80 мм теоретически можно получить выход излучения резонансной линии ртути 253.7 нм до 50% от общей мощности при давлении аргона 0.1 Торр и удельной мощности лампы 160-170 Вт/м и до 40% при удельной мощности 350 Вт/м.

8. В лампах длиной 400 мм и диаметрами 32-38 мм при удельных мощностях менее 400 Вт/м плазма может не полностью заполнять объем колбы лампы.

Длина плазменной области незначительно увеличивается с ростом давления аргона от 0.1 до 0.7 Торр и увеличением диаметра колбы при постоянной подводимой мощности. Этот эффект необходимо учитывать при выборе оптимальных длин и диаметров колб ламп.

9. При невозможности практического использования колб с диаметрами более 50 мм (такая ситуация наблюдается в установках, применяемых для обеззараживания воды) допустимо использование ламп с колбами меньших диаметров при незначительной потере эффективности. Экспериментально было получено, что КПД генерации излучения с длиной волны 253.7 нм в колбах диаметром 38 мм может достигать более 33% при удельной мощности лампы 370-400 Вт/м.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Попов О.А., Свитнев С.А. Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда, возбужденного катушкой индуктивности, расположенной по периметру продольного сечения разрядной трубки // Светотехника. 2010. 3. С. 63-65.

2. Свитнев С.А., Попов О.А. Расчет функции распределения электронов по энергиям в стационарном разряде низкого давления // Вестник МЭИ. 2012.

3. С. 100-105.

3. Svitnev S.A. and Popov O.A. Plasma parameters spatial distribution of low pressure ferrite-free inductive discharge // Light and Engineering. 2011. 1. P. 79-82.

4. Свитнев С.А., Попов О.А. Пространственное распределение электрического поля и удельной мощности в плазме индукционного разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2008, С.24-28.

5. Свитнев С.А., Решенов С.П. Развитие математической модели столба разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-техн. конф. «Молодые светотехники России». Москва, Декабрь 2009, С.52-53.

6. Свитнев С.А., Решенов С.П. О расчете функции распределения электронов по энергиям в столбе разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. 15-ой международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2009, С.171-172.

7. Свитнев С.А., Решенов С.П. Различие равновесной и реальной функций распределения электронов по энергиям в столбе разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. 16-ой международн. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2010, С.212-213.

8. Свитнев С.А., Решенов С.П. Математическая модель столба разряда люминесцентной лампы // Тезисы докл. VII международн.

научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Саранск, Ноябрь 2009.

Подписано в печать Зак. Тир. Пл.

Полиграфический центр ФБГОУ ВПО НИУ «МЭИ» Красноказарменная улица, д. 13.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.