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 Topp), 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 60 000 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 O.A.
К сожалению, на настоящий момент практически полностью отсутствуют какие-либо теоретические исследования поведения данного источника УФ-излучения 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.
Цели диссертационной работы.
Целями настоящей работы являются математическое моделирование и экспериментальные исследования поведения трубчатой индукционной УФ-лампы 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 лампы и создавать высокоэффективные источники УФ-излучения на основе разряда данного типа.
Научная новизна.
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 ртутно-аргоновой 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.
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.
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.
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 2 опубликованы в рецензируемых научных журналах [1, 2], одна в нерецензируемом журнале [3] и 5 в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций [4−8].
1. Попов O.A., Сеитнев 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 O.A. 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 СЛ., Попов O.A. 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 СЛ., 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 СЛ., 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 СЛ., 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 СЛ., 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.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа изложена на 154 страницах текста, содержит 97 рисунков и 5 таблиц.
Список литературы
насчитывает 131 наименование и изложен на 9 страницах.
Основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Разработана замкнутая математическая модель индукционного трубчатого источника УФ-излучения, позволяющая рассчитывать характеристики данного источника в широком диапазоне условий разряда.
2. Созданы экспериментальные лампы малых диаметров, показавшие хорошую эффективность. Так, для лампы 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 Topp.
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 ВУФ-излучения 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 Topp.
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. Увеличение числа витков приводит к перекрыванию части излучающей поверхности лампы катушкой индуктора, что может снизить эффективность лампы. Таким образом, на практике целесообразно применять индукторы с количеством витков, не превышающим 10.
7. Увеличение рабочей частоты выше 10−15 МГц не представляется целесообразным из-за достаточно большого уровня электромагнитных помех, возникающих при работе лампы и сложности пускорегулирующего аппарата.
8. С уменьшением давления аргона с 0.6 до 0.1 Topp 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 рАг -0.05 Topp.
9. 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 Topp и удельной мощности лампы 160−170 Вт/м и до 40% при удельной мощности 350 Вт/м.
10. 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 Topp при постоянной подводимой мощности. Этот эффект необходимо учитывать при выборе оптимальных длин и диаметров колб ламп.
11. 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.
В заключение автор хотел бы поблагодарить своего научного руководителя, к.ф.-м.н., доцента Попова O.A. за помощь и поддержку при выполнении данной работы. Также автор выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедры Светотехники НИУ «МЭИ» и особенно профессору Решенову С. П. за помощь, оказанную при разработке замкнутой математической модели индукционной лампы.
Автор сердечно благодарит своих коллег, сотрудников ООО «СОВВ» Соколова Д. В., Алимова Е. А., Василяка JI.M., Васильева А. И., Дроздова Л. А., Дриго A. JL, Моисеенко Т. А., Собура Д. А., Хаецкого Д. П., Шункова Ю. Е., Исакова М. С., за помощь в создании экспериментальной установки, опытных образцов индукционных ламп, а также участие в обсуждении результатов диссертации и ценные советы.
Отдельную благодарность за неимоверное терпение и поддержку в трудную минуту автор хочет выразить своей супруге Дарье.
