Формирование состава плазмы в закрытом дуговом разряде с молекулярными примесями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

В в е д е н и е

Глава I. Проблемы и отличительные особенности электрического разряда высокого давления с молекулярными примесями

Глава 2. Методы определения характеристик закрытого дугового разряда.

2.1. Диагностика по контурам спектральных линий.

2.2. Интерферометрический метод.

2.2.1. Определение тепловых характеристик разрядной трубки.

2.2.2. Определение концентрации и атомной температуры в плазме.

2.2.3. Определение плотности и температуры плазмы с помощью голографической интерферометрии.

Глава 3. Исследование временных и пространственных распределений параметров плазмы МГЛ.

3.1. Общие закономерности формирования состава плазмы.

3.2. Влияние переменного характера разрядного тока на распределение компонент плазмы.

3.3. Конвекция в ртутных дуговых разрядах с легкоио-низуемыми примесями.

3.4. Исследование температуры плазмы.

Глава 4. Модель для расчета состава плазмы с учетом процессов переноса.

4.1. Анализ экспериментальных результатов.

4.2. Особенности, упрощающие модель разряда МГЛ.

4.3. Расчет радиальных распределений компонент плазмы.

4.3.1. Диффузионное перераспределение.

4.3.2. Ионизационное перераспределение.

4.3.3. Совместное действие диффузионного и ионизационного механизмов распределения.

4.4. Общее распределение компонент по объему разряда.

Глава 5. Формирование условий на поверхности, ограничивающей плазму.

5.1. Типы граничных условий.

5.1.1. Добавка в недостатке.

5.1.2. Добавка в избытке.

5.2. Распределение температуры по стенке разрядной трубки.

Глава б. Свойства конкретных источников МГЛ и вопросы их оптимизации.

6.1. Влияние взаимных размеров разрядной зоны и трубки на состав плазмы.

6.2. Уменьшение негативной роли конвекции при формировании состава плазмы.

6.3. Определение коэффициентов диффузии.

3 а к л ю ч е н и е.

Л и т е р а т у р а.

Пр и л о ж е н и я.

Добавление примесей в электрический разряд приводит к изменению свойств плазмы (электро- и 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. 691959 (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. - № ГР72045576, инв.№ Б882691 - 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 при- и 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.

1. Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. - М., Физматгиз, 1963 -820 с.

2. Диагностика плазмы по контурам спектральных линий. Оптика неоднородных сред. Межвуз.сб. Петрозаводск, ПГУ, 1977 -208 с.

3. Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики. Сб.под ред.Жукова Ф.М. Новосибирск, Наука, 1977 - 296 с.

4. Колесников Н.Г., Ларькина Л.Г., Энгелыпт B.C. Графический метод обращения преобразования Абеля. Деп. в журнале Изв. АН Киргизской ССР, № 313-75, Фрунзе, 1979.

5. Козлов В.П., Луизова Л.А. Выбор рационального алгоритма обработки экспериментальных данных в методах локальной спектроскопии плазмы. Опт. и спектр., 1977, т.43, вып.1, с.194-196.

6. Ларькина Л.К. К расчету резонансного распределения излуча-тельной способности. В кн.: Применение плазмотронов в спектроскопии, Фрунзе, изд.Илим, 1970, с.17-27.

7. Акимова Л.В., Вдовин В.Г., Емельянов Н.Н. Физико-химические методы исследований состава наполнения МГЛ. Светотехника, 1979, № 12, с.10-13.

8. Карапетьянц М.Х. Основные термодинамические константы органических и неорганических веществ. М., Химия, 1968 - 471 с.

9. Справочник химика. Под ред.Никольского Б.П. М.-Л., Химия, 1965, т.1 - 980 с.

10. Веденеев В.И., Гурвич Л.В., Кондратьев В.Н., Медведев В.А., Франкевич Е.Л. Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М., Изд.АН СССР, 1962.

11. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. -M.-JI., Госхим-издат, 1953 612 с.

12. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. М., Химия, 1970 - 535 с.

13. Куликов И.С. Термическая диссоциация соединений. М., Металлургия, 1969 - 574 с.

14. Функ В. Плазмохимические исследования МГЛ. Дисс. на соиск. уч.ст.канд.физ.-мат.наук. -М., 1973 - 124 с.

15. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М., Атомиздат, 1974 - 456 с,

16. Мак-Даниэль, Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах.-М., Мир, 1976 502 с.