B14 Мощные импульсные разряды с широкодиапазонным спектральным составом излучения

Гавриш С.В., Логинов В.В., ОАО ПО «ЗАВОД СТЕЛЛА»; Градов В.М., Сидоренко Д.С., МГТУ им. Н.Э. Баумана; г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

В ряде отраслей науки и техники существует потребность в источниках излучения, обеспечивающих необходимый уровень лучистых потоков одновременно в ближних инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. В работе рассматривается возможность создания таких источников на базе трубчатых импульсных ламп короткой длительности с ксеноновым наполнением.

Для обоснованного выбора параметров и режимов работы ламп построена математическая модель нестационарного сильноизлучающего разряда, стабилизированного стенкой. Модель учитывает газодинамические процессы в разряде, кондуктивно-конвективный и лучистый перенос в плазме, эффекты  неравновесности, связанные с различием  температур электронов и тяжелых частиц, радиационный перенос возбуждения резонансного уровня, внешнюю электрическую цепь. Принимается во внимание сложный спектральный состав излучения, включающий линейчатую и непрерывную составляющие. В качестве механизмов уширения линий рассматриваются штарковское уширение электронами, вандерваальсовский и резонансный механизмы. В непрерывном спектре учитываются процессы  фоторекомбинации атомов и электронов и торможение электронов в полях ионов и атомов [1].

На основе модели выполнено исследование влияния геометрических размеров разрядной трубки, давления наполнения и соотношения компонент плазмообразующей среды, а также параметров разрядного контура на выход излучения в различных спектральных интервалах в области от 800 до 1500 нм и 240- 450 нм.
(см. рис. 1). 

 

Рисунок 1. Спектральное распределение излучения разряда в ксеноне в максимуме тока. Внутренний диаметр разрядной трубки 0.7 мм, ток 4000 А, начальное давление наполнения газа - 120 мм рт.ст. 

Уникальность задачи создания таких источников заключается  в сложности подбора комбинации многочисленных параметров ламп и разрядного контура, обеспечивающей согласование противоречивых по сути требований к получению излучения      заданной   мощности   в   физически   противоположных   участках   спектра.

 На рис. 1 в качестве примера приведен расчетный спектр излучения разряда в Xe. Температура на оси разряда составляет около 20000 К. Линии практически «растворились» на мощном непрерывном фоне. Исключение составляют несколько резонансных линий в области за границей пропускания кварца.  Анализ многочисленных результатов вычислительных экспериментов по спектральным распределениям излучения позволил провести выбор параметров и режимов работы ламп, удовлетворяющих потребителя.

Экспериментально наиболее изученным является импульсный ксеноновый разряд, ограниченный кварцевыми оболочками, с длительностями импульсов излучения более  200 мкс [2]. При этом  излучательные параметры таких ламп связаны не только с рекомбинационными процессами в инертном газе, а также и в продуктах испарения кварца и примесных веществ, находящихся в оболочке [1]. На рис. 2 приведен полученный в данной работе спектр излучения импульсной ксеноновой лампы ИНТ 5/120 (размеры разрядного канала: диаметр
5 мм, межэлектродное расстояние 120 мм, давление ксенона 300 мм рт. ст ксенона) в максимуме тока.


Рисунок 2. Спектральное распределение излучения лампы ИНТ 5/120 в максимуме тока 

Спектральные измерения импульсных ламп проводились на дифракционном монохроматоре МДР - 23, выходной световой сигнал с которого преобразовывался в электрический при помощи  фотоэлектронных умножителей ФЭУ -37 (диапазон длин волн 200-500 нм) и ФЭУ - 62 (400 - 1000 нм) и регистрировался цифровым осциллографом С9-8.

Лампа ИНТ 5/120 работала в разрядном контуре со следующими характеристиками:

  • средняя электрическая мощность - 340 Вт;
  • максимальная плотность тока - 8 кА/см2;
  • напряжение на накопительном конденсаторе - 1500 В;
  • частота следования токовых импульсов - f = 2 Гц
  • энергия импульса - 170 Дж;

Указанные условия  электрического питания обеспечили длительность токового импульса по уровню 0,5 - t = 130 мкс. Известно [3], что при таких временных характеристиках излучение лампы находится преимущественно в УФ диапазоне, что и подтверждают графические данные, приведенные на рис. 2.

Как видно из рис.2 в спектре излучения наблюдаются максимум интенсивности линий иона Хе 229,2 (229,6); 243,5; 247,6; 251; 261 нм, а в видимой области спектра наблюдается фоновое излучение.

Яркостная температура разряда при таких режимах работы составляет ~ 8000К. По этой причине экспериментальное спектральное распределение (рис. 2) отличается от расчетного (рис.1). Кроме этого в лампе использовано кварцевое стекло, имеющее коротковолновую границу пропускания от 185 нм. Тем не менее, можно предположить, что дальнейшее повышение температуры разряда приведет к «сглаживанию» спектра в диапазоне длин волн 225÷275 нм, приближаясь к расчетной зависимости.

В отличие от ксенона спектральные линии кремния (продукт испарения оболочки) в разряде длительностью более 100 микросекунд появляются только после прохождения током максимума, так как требуется определенное время на нагрев, плавление и испарение поверхности материала оболочки.

В данной работе рассмотрены первые результаты исследования импульсного ксенонового разряда короткой длительности. Для полного понимания радиационных и теплофизических процессов требуется решить комплекс задач по экспериментальному определению заселенностей возбужденных состояний, концентрации атомов, электронов и ионов и др.

Литература:

  1. Градов В.М., Щербаков А.А.  Расчет излучательных характеристик дуговых криптоновых и ксеноновых разрядов // Оптика и спектроскопия. - 1979. -Т.47, - №4. -с.635 -642.
  2. Дойников А.С. Спектральные характеристики излучения трубчатых ксеноновых импульсных и дуговых ламп// Обзоры по электронной технике. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы - 1973. - вып.11 -  30 С.
  3. Импульсные источники света./ И.С. Маршак, А.С. Дойников, В.П. Жильцов и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978.- 472 с.

Тематика:

Комментариев: 2


» Гаврилкина Галина (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 02:06:24 }

Хорошие научные исследования, очень серьезные и грамотные. Неплохо. Может быть, это закрытая тема, но хотелось бы знать, в каких областях эти лампы применяются?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 07:06:17 }

Судя по спектру, есть перспективы применения в тепличных облучательных установках. Возможно, великовата УФ -составляющая, но по, некоторым источникам, это не вредно.

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
26 queries. 0.086 seconds.