Формирование состава плазмы в закрытом дуговом разряде с молекулярными примесями

Добавление примесей в электрический разряд приводит к изменению свойств плазмы (электрои теплопроводность, излуча-тельная эффективность и т. д.), что широко используется при создании различных газоразрядных устройств: лазеров, плазмохимиче-ских реакторов, источников излучения и т. д. Однако, появляющаяся при этом многокомпонентность сильно усложняет картину происходящих явлений в плазме, затрудняет ее понимание.

Показательной в этом отношении является проблема перераспределения примесей (галогенидов металлов) в дуговых источниках излучения: металлогалоидных лампах (МГЛ) ^1−3/, выступивших в данной работе в качестве примера устройств с многокомпонентной плазмой и конкретных объектов исследования. Для объяснения наблюдаемой неоднородности в распределении плотностей примеси по объему разрядной трубки вццвинут ряд механизмов (см. главу I), в некоторых случаях построены модели, согласующиеся у каждого автора с собственными экспериментальными данными.

Однако, приводимые разными авторами результаты настолько противоречат друг другу, что приходится констатировать фактическое отсутствие ясной картины формирования состава такой плазмы не только с количественной, но и с качественной стороны.

В МГЛ разряд происходит в буферном газе (ртутные пары и инертные газы) с добавками молекулярных примесей, в качестве которых наиболее подходящими являются галогениды металлов /1−77, выполняющих в разряде двоякую функцию. С одной стороны, галогениды металлов имеют более высокое, чем у большинства металлов, давление насыщающих паров, при этом энергия диссоциации их молекул такова, что в плазме они практически все диссоциируют на атомы. В результате в разряде обеспечивается высокая плотность излучающих атомов металла и эффективность в соответствующих областях спектра увеличивается. G другой стороны, в пристеночной области галогениды металлов находятся в молекулярной форме и тем самым устраняется разрушающее воздействие (из-за химических реакций) атомов металлов на материал стенки трубки.

Источники типа МГЛ используются в различных отраслях как для общего, так и специального освещения в медицине и биологии, в сельском хозяйстве, в полиграфической промышленности и светокопировании, фотохимии, лазерной технике и т. д. Zl-Т/. Интерес к этим источникам в последнее время возрос в связи с усилившейся необходимостью более эффективного преобразования электрической энергии в световую.

Такое положение предопределяет актуальность проведения исследования плазмы данного класса источников, в том числе исследования процессов формирования по объему состава плазмы, что является основной целью настоящей работы.

Диссертация состоит из шести глав, введения и заключения.

В первой главе приводится краткий литературный обзор по свойствам закрытого дугового электрического разряда высокого давления с молекулярными примесями и некоторым методам, применяемым для его диагностики. Определяется цель работы и проводится постановка задачи.

Во второй главе описываются используемые в работе методы оптической диагностики плазмы. Разработаны методы достаточно точного определения плотности плазмы и распределений температуры в источнике (погрешность определения меньше 10%) с использованием обычной двухлучевой и голографической интерферометрии.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования МГЛ. Определены основные закономерности поведения объемных распределений примесей от условий разряда. Выявлена роль переменного характера разрядного тока на перераспределение компонент плазмы. Исследована конвекция и найдены температурные распределения внутри разрядной трубки.

В четвертой главе на основе экспериментальных результатов и теоретических оценок построена количественная модель формирования состава плазмы в дуговых источниках с примесями галогени-дов металлов.

В пятой главе в соответствии с тем, что граничные условия являются неотъемлемым фактором при формировании состава плазмы, проведен анализ условий, образующихся на поверхности, ограничивающей плазму. В приближенной форме решена задача расчета температурных полей в приэлектродном узле разрядной трубки. Для выравнивания температуры по стенке трубки предложен новый метод внутреннего экранирования.

В шестой главе приводятся примеры использования полученных результатов для определения состава плазмы и решения задач оптимизации дуговых источников излучения.

В работе представляется к защите следующее.

1. Совокупность предложенных и развитых интерферометрических методов диагностики стационарного закрытого дугового разряда высокого давления.

2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований сложного атомно-молекулярного состава плазмы и процессов переноса, приводящих к перераспределению компонентов по объему разрядной трубки.

3. Результаты экспериментального и теоретического исследования формирования и оптимизации распределения температуры по поверхности стенки, ограничивающей плазму.

Материалы настоящей работы докладывались на I Всесоюзной конференции по спектроскопии низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1973) — на I Всесоюзной научно-технической конференции «Фотометрические измерения и их метрологическое обеспечение» (Москва, 1974) — на Всесоюзном симпозиуме «Исследование пространственно-неоднородной плазмы по контурам спектральных линий» (Петрозаводск, 1974) — на УП и УШ Национальных конференциях по спектроскопии (Болгария, 1976, 1978) — на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Состояние разработок и производства газоразрядных источников света, пути их дальнейшего совершенствования» (Полтава, 1978) — на У Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979) — на ХУ Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1981) — на Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Махачкала, 1982).

Основные результаты диссертации были опубликованы в работах:

1. Бородин В. И., Луизова Л, А., Сысун В. И. Исследование температурного поля и энергетического баланса горелки МГЛ простым интерферометрическим методом. — Светотехника, 1973, № 12, 8−10.

2. Бородин В. И., Вдовин В. Г., Луизова Л. А. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности голографического метода, применяемого для измерения температурных полей в закрытых дугах. — Тезисы докладов I Всесоюзной научно-технической конференции «Фотометрические измерения и их метрологическое обеспечение» — М., ШИИОФИ, 1974, 278.

3. Бородин В. И. Расчет формы контура спектральной линии, излучаемой оптически плотной неоднородной плазмой со сложным химическим составом, находящейся в ЛТР. — В кн.- Диагностика плазмы по контурам спектральных линий. Межвуз.сб. — Петрозаводск, 1977, 20−24.

4. Бородин В. И., Хахаев А. Д. Построение модели плазмы дугового разряда со сложным химическим составом при спектроскопических расчетах. — Тезисы докладов УШ Национальной конференции по атомной спектроскопии, — Болгария, Варна, 1978,49−50.

5. Бородин В. И. Интерферометрия плазмы стационарного закрытого дугового разряда высокого давления. — Тезисы докладов У Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы. -Киев, 1979, 104.

6. А.С. 691 959 (СССР). Горелка дуговой лампы высокого давления/ В. И. Бородин — Опубл. в Б.И., 1979, № 38.

7. Бородин В. И., Луизова Л. А., Некрылова И. М. Измерение параметров многокомпонентной дуговой плазмы в течение периода переменного тока. — Тезисы докладов У Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы. — Киев, 1979, 105.

8. Бородин В. И., Луизова Л. А, Трухачева В. А., Хахаев А. Д. Исследование временных и пространственных распределений параметров многокомпонентной плазмы закрытой дуги высокого давления. — В кн.: Оптика неоднородных сред. Межвуз.сб. — Петрозаводск, 1981, II7-I4I.

9. Бородин В. И. К теории расслоения примесей в закрытых дуговых разрядах высокого давления. — В кн.: Оптика неоднородных сред. Межвуз.сб. — Петрозаводск, 1981, 88−99.

10. Бородин В. И., Луизова Л. А., Хахаев А. Д. Определение атомной температуры плазмы в закрытом стационарном разряде высокого давления интерферометрическим методом. — Тезисы докладов Всесоюзного совещания по физике электрического пробоя газов. — Махачкала, 1982, 24−25.

11. Бородин В. И. Конвекция в ртутных дуговых разрядах с легко-ионизуемыми примесями, — Теплофизика высоких температур, 1982, т.20, вып. З, 443−446.

12. Бородин В. И., Луизова Л. А., Хахаев АД. Интерферометрия закрытых стационарных разрядов высокого давления. — Теплофизика высоких температур, 1983, т.21, вып.5, 970−975.

13. Исследование составов наполнения и режимов работы металло-галоидных ламп с целью получения оптимальной световой отдачи. (Отчет). Петрозаводский гос. университет, 1^к.темы А. Д. Хахаев, Исполнители: Бородин В. И., Заровняев Г. В., Луизова Л. А., Некрылова И. М., Соляникова В. А. — № ГР72 045 576, инв.№ Б882 691 — Петрозаводск, 1974 — 88 с.

14. Бородин В. И., Хахаев А. Д., Щербина А. И. Тепловая оптимизация дуговых источников излучения с примесями галогенидов металлов. — ТВТ, 1984 (принята к депонированию).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Объем проделанной работы и ее основные итоги можно охарактеризовать следующими положениями.

1. Найдены и осуществлены алгоритмы и схемы проведения ин-терферометрических измерений (в том числе с использованием голографии), позволяющие получать температуру стенки, «точку» росы, коэффициент теплоотдачи, а также радиальные распределения значения температуры в закрытом дуговом разряде с погрешностью 6−8%л Разработаны методы привязки интерферограммы к абсолютному значению показателя преломления и исправления ее от искажений, вносимых стенкой трубки.

2. Для широкого круга условий эксперимента (IV= 250−2000 Вт, С/= 2−20 А, {у} - 2−15 см, $ - 0,8−1,8 см) получены объемные распределения плотностей нейтральных и заряженных частиц в закрытых дуговых разрядах с примесями иодидов металлов (МГЛ). Статистически установлено, что основными процессами формирования химического состава плазмы являются: свободная конвекция и радиальная диффузия ионов, атомов и молекул, индуцированная реакциями ионизации и диссоциации в неоднородном поле температур. При малом количестве добавки в разряде () в радиальном разделении превалирует диффузия ионов, при большом диффузия атомов и молекул. В последнем случае степень аксиального разделения примеси мала (что обусловлено сильным прижатием" разряда к стенке.

3. Впервые, экспериментально исследовано влияние частоты тока питания на перераспределение добавок в МГЛ. В аксиальном переменном поле из-за катафореза происходит обеднение разрядной зоны атомами примеси за счет ухода их в прии заэлектрод-ную область. Получена зависимость эффекта от у*. При ^^ 50 Гц вдали от электродов этот эффект можно не учитывать.

4. Впервые, экспериментально исследована свободная конвекция внутри МГЛ. В относительно узких разрядных трубках (.

Вт) конвективное движение носит, преимущественно, одноконтурный характер. Добавление в разряд легкоионизуемых примесей приводит к уменьшению скорости конвекции. Получены полуэмпирические формулы для оценки этого эффекта. С ростом радиуса трубки см) при ее длине, А >- (2*3)'^ (]/V^ 2000 Вт), а также с ростом давления конвективное движение трансформируется в многоконтурную форму с высотой ячеек.

2*3)v? Разработаны методы управления формой конвективного движения с помощью изменения конфигурации поверхности, ограничивающей разряд.

5. Интерферометрическими и спектральными методами исследованы распределения температуры в плазме МГЛ. С ростом количества добавки температура падала, а радиальный ее профиль уширялся. Экспериментальные данные и теоретические оценки показали, что разница между различными «температурами» (атомная, электронная, заселения, ионизации и т. д.) сравнима с погрешностями (6−8 $) определения их величин. Поэтому при расчете химического состава плазмы можно использовать модель локального термодинамического равновесия.

6. Определено влияние взаимных размеров разрядной зоны и трубки на состав плазмы и предложены методы учета этого явления. Это позволило построить приближенную модель формирования химического состава плазмы по объему разрядной трубки с учетом процессов переноса. Модель удовлетворительно описывает экспериментальные данные.

7. Показано, что разрушение одноконтурного характера конвекции приводит к выравниванию аксиального распределения примесей. Предложены методы такого разрушения путем деформации стенки трубки и использования пристеночных перегородок.

8. Разработан приближенный метод расчета температурных полей приэлектродного узла разрядной трубки. Для выравнивания температуры по стенке трубки предложен новый метод внутреннего экранирования. Определена физико-химическая устойчивость различных материалов, предназначенных для изготовления тепловых экранов, способных работать внутри разрядной трубки.

9. Результаты, полученные в работе и выработанные рекомендации позволили улучшить основные характеристики выпускаемых МГЛ (светоотдачу, цветопередачу), а также находят применение при исследовании и разработке новых источников (например, в СКТБ ИС г. Полтавы).

10. Показано, что результаты работы можно использовать при решении обратной задачи переноса: определения коэффициентов переноса. Предложен метод получения относительных коэффициентов диффузии компонентов примеси при высоких температурах (/?^2000 К) в дуговом разряде по измеренному объемному распределению компонент плазмы.

В заключение отметим, что область использования полученных в данной работе результатов не ограничивается металлогалоидными лампами, для которых они предназначены в первую очередь. Ряд результатов могут найти применение в других замкнутых системах с малыми примесями: газоразрядных лазерах, плазмохимических реакторах и т. д.