CC BY
56
УДК 535-3;53.083
ЭФФЕКТ ДИНАМИЧЕСКОГО СКАЧКА ДАВЛЕНИЯ В KrCl - ЭКСИЛАМПЕ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
В.М. Цветков, А.А. Пикулев
Институт ядерной и радиационной физики ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г. Саров E-mail: pikulev@expd.vniief.ru
Представлены результаты исследования термодинамических процессов в лампах барьерного разряда с помощью измерения скачка давления. Исследования проводились на KrCl-эксилампе (222 нм) барьерного разряда в диапазоне давлений 4...50 кПа и соотношений компонент смеси Kr:Cl2 от 50:1 до 400:1. Эксперименты показывают, что при включении (выключении) лампы зависимость скачка давления от времени состоит из быстрой (характерное время 30...160 мс) и медленной (100 с) частей. Быстрая часть связана с генерацией акустических волн (10...30 мс) и непосредственным нагревом газа (30...160 мс) в процессе разряда. Медленная часть скачка давления обусловлена нагревом колбы эксилампы.
Ключевые слова:
Барьерный разряд, эксилампа, скачок давления, акустические колебания, термодинамические процессы. Key words:
Barrier discharges, excilamp, pressure drop, acoustic oscillations, thermodynamicprocesses.
В настоящее время эксилампы барьерного разряда (БР) находят все большее применение в различных областях технологии, экологии и медицины. Это связано со следующими преимуществами этих источников УФ-излучения: 1) высокий КПД;
2) узкая ширина спектральной линии излучения;
3) длительное время работы [1-4].
При длительной эксплуатации, в связи с необходимостью исключить перегрев колбы и рабочего газа, возникает важная задача организации охлаждения поверхности эксилампы. Решение данной задачи осуществляется с помощью использования воздушного или водяного охлаждения. Выбор системы охлаждения связан с тепловой мощностью эксилампы и с максимально допустимой температурой рабочего газа.
Для определения тепловой мощности обычно используют оценки мощности разряда за вычетом мощности УФ-излучения лампы [5]. В данной работе для определения тепловой мощности и температуры предлагается использовать амплитуду медленной части (характерное время ~100 с) скачка давления в колбе эксилампы.
Кроме того, быстрая часть скачка давления (характерное время 30...160 мс), позволяет получить важные результаты, касающиеся термодинамических процессов, происходящих в эксилампах БР, в частности, определить долю мощности разряда, идущую на генерацию акустических колебаний и непосредственный нагрев газа.
Исследования скачка давления проводились на КгС1-эксилампе (222 нм) БР в диапазоне давлений
Рис. 1 Схема проведения эксперимента: 1) низковольтный источник питания; 2) мостовая схема питания датчика давления; 3) генератор; 4) осциллограф; 5) датчик давления ДМИ-0.1-2; 6) вакуумный пост; 7) вентиль откачки-наполнения; 8) вакуумметр образцовый МО; 9) вентиль отсечения магистрали;10) высоковольтный импульсный источник питания лампы барьерного разряда; 11) лампа барьерного разряда
4...50 кПа и соотношений компонент смеси Kr:Cl2 от 50:1 до 400:1. В экспериментах также измерялись интенсивность УФ-излучения эксилампы, напряжение и ток через лампу.
Схема измерения скачка давления представлена на рис. 1. Цилиндрическая коаксиальная лампа БР (поз. 11) (длина лампы 330 мм, диаметр 43 мм, толщина разрядного промежутка 8,5 мм) подключалась к вакуумному посту (поз. 6). Для измерения скачка давления был использован датчик давления ДМИ 0.1-2. Питание лампы осуществлялось от источника питания, генерирующего двуполярные импульсы напряжения с амплитудой 4,5 кВ и частотой 100 кГц.
Регистрация импульсов напряжения и тока проводилась с помощью осциллографа Tektronix TDS 3014В. Для измерения импульсов тока применялся пояс Роговского, а для регистрации формы напряжения - резистивный делитель. Типичные осциллограммы импульсов напряжения и тока приведены на рис. 2 (смесь Kr:Cl2=350:1, полное давление 29,3 кПа).
Рис. 2. Импульсы напряжения и тока: 1) напряжение; 2) полный ток; 3) активный ток; 4) реактивный ток
Типичная осциллограмма скачка давления представлена на рис. 3. После включения лампы давление быстро возрастает (за характерное время 20...100 мс) на величину Ар. Далее происходит медленный рост давления (~100 с), который на больших временах стремится к насыщению. После выключения лампы происходит быстрое снижение давления на величину Ар (30...160 мс), которое сменяется медленным экспоненциальным спадом.
Рассмотрим медленную часть скачка давления. На рис. 4 представлена осциллограмма скачка давления при работе эксилампы в течение 100 с без использования охлаждения (смесь Кг:С12=300:1, давление 32 кПа). Из рисунка видно, что рост давления является практически линейным и за 100 с составляет 3,3 кПа (для изохорического процесса повышение температуры равно 31 К). Мощность нагрева составляет 48 Вт, что хорошо согласуется со значением 50 Вт, полученным из осциллограмм напряжения и тока.
Рис. 3. Типичная осциллограмма скачка давления
Через 100 с после выключения лампы давление линейно понижается на 0,65 кПа, т. е. характерное время остывания кюветы без охлаждения составляет около 500 с.
В случае использования охлаждения (обдув колбы эксилампы потоком сжатого воздуха) максимальное повышение медленной части скачка давления составляет 2,1 кПа, что эквивалентно нагреву колбы лампы на 20 К (рис. 4). После выключения лампы снижение давления происходит по экспоненциальному закону с характерным временем, равным 50 с, т. е. использование воздушного охлаждения на порядок ускоряет процесс теплоотвода.
Ар, кПа
г, сек
Рис. 4. Рост давления при работе эксилампы: 1,2) без охлаждения; 3,4) при использовании охлаждения. 1,3) эксперимент; 2,4) аппроксимация
Рассмотрим быструю часть скачка давления. На рис. 5 приведены задние фронты скачка давления (Кг:С12=300:1). Из рисунка видно, что характерная длительность фронтов растет при увеличении начального давления смеси и составляет десятки-сотни миллисекунд.
Хорошей аппроксимацией экспериментальных результатов являются функция
Ар = Ар0
ß ехР i-— j + (1 -ß)exp {- —
— j j
где Ар0 - амплитуда скачка давления; Д тае, тт - параметры аппроксимации. Зависимость параметров Д тае, хт от давления приведена в таблице. Относи-
6
2
0
тельная погрешность аппроксимации не превосходит 2...3 %.
Др, кПа -0.5
-----------
0.2 0.3
t, сек
p, кПа ß Tac, Мс тт, мс
8 0,18 27 30
12 0,29 25 54
24 0,34 15 104
28 0,35 13 115
32 0,36 13 140
40 0,30 12 150
53 0,20 11 160
На рис. 6 приведена зависимость параметра аппроксимации тт от давления. Для сравнения на рисунке также представлено характерное время остывания газа в кювете, полученное в приближении линейной теплопроводности [7]
УС
тт =-,
где у- показатель адиабаты; % - коэффициент температуропроводности; V - внутренний объем кюветы (350 см3); £ - площадь поверхности внутренних стенок кюветы (680 см2); й - величина разрядного промежутка (8,5 мм).
Из рис. 6 видно, что в диапазоне давлений 8...30 кПа расчетная зависимость тт от давления практически совпадает с экспериментальной. Ниже мы будем отождествлять эти величины и считать, что параметр тт равен характерному времени остывания газа в кювете.
Параметр тас положим равным характерному времени затухания акустических колебаний. Если предположить, что тас связано с поглощением акустических волн в газе, то характерные частоты акустических колебаний составят 40...65 кГц [7].
Для описания полученных результатов используем модель, в которой предполагается, что формирование заднего фронта скачка давления определяется двумя процессами: 1) акустическими волнами, имеющими характерное время затухания тас, при
этом энергия акустических волн переходит в тепловую за время т0 (т0>тж) и 2) остыванием газа в кювете с характерным временем тт.
Рис. 5. Задний фронт скачка давления. Давление смеси, кПа: 1) 8; 2) 12; 3) 24; 4) 28; 5) 32; 6) 40; 7) 53
Таблица. Зависимость параметров аппроксимации ß, тас, тт от давления
10 20 30 40 50
р, кПа
Рис. 6. Характерное время охлаждения газа в кювете в зависимости от давления: 1) обработка эксперимента; 2) расчет
Средняя энергия акустических волн в кювете описывается уравнением
«SA
dt тас
(1)
где аас - доля мощности разряда Ж, идущая на генерацию акустических волн.
Для тепловой энергии в кювете справедливо уравнение
^=ашJA1
dt
(2)
где ат - доля мощности разряда, идущая на непосредственный нагрев газа.
Суммарное давление, создаваемое акустическими волнами (первое слагаемое) и нагревом газа (второе слагаемое) определяется по формуле
Ар = + (7_ 1) <E >
V
V
(3)
где 0<й<1 - коэффициент, учитывающий конфигурацию акустических волн в колбе эксилампы и чувствительность датчика давления к акустическим колебаниям.
Из соотношений (1)-(3) получаем, что после отключения лампы составляющая скачка давления с характерным временем спада тас описывается соотношением
Л aacTacW I Y_ 1 тттас АР, = V S5 + -'
exp
а составляющая скачка давления с характерным временем tt - соотношением
а т т2
' ат + ас ас___—-
Арт = (у_ 1) т
V
аа.
<exp
0
200
1.5
100
50
2.5
-3
0
Результаты расчетов показывают, что в случае, если диссипации акустических волн не происходит (т0=о>), то сумма а, и ат в диапазоне давлений 30...50 кПа превосходит единицу, т. е. энергии разряда недостаточно для создания наблюдающегося скачка давления. Отсюда следует, что для согласования энергетических потоков необходимо, чтобы часть энергии акустических колебаний переходила в тепло.
На рис. 7 приведены зависимости а, и ат от давления для случая т0=тас и 5=1. Уменьшение параметра 5 приводит к росту доли мощности разряда, идущей на генерацию акустических колебаний. Это видно из рис. 8, полученного для 5=0,5. Расчеты показывают, что для 5<0,15 аас превышает единицу.
1
aac, aT отн. ед. 0.8
ты, расстояние и интенсивность которых растут при увеличении давления. Для давлений выше 50 кПа разряд происходит в виде отдельных протяженных искр, неравномерно заполняющих внутренний объем кюветы.
i
ac, aT отн. ед. 0.8
20 30
р, кПа
20 30
р, кПа
Рис. 7. Энергетический баланс внутри кюветы эксилампы: доля мощности разряда, идущая на: 1) генерацию акустических колебаний ах; 2) непосредственный нагрев газа ат. 3) сумма аас+ат (т0=Тас, 5=1)
Из рис. 7, 8 видно, что при давлении ниже ~16 кПа ат>аас, а выше 16 кПа - ат<аас. Параметр аа, достигает максимума при 40 кПа, после чего снижается.
Такое поведение параметров аас и ат от давления может быть связано с изменением структуры разряда. Так, при давлениях ниже 7 кПа разряд происходит в диффузной форме, акустические волны практически не возбуждаются и значительная часть энергии тратится на нагрев газа. В диапазоне давлений 7...13 кПа разряд происходит в смешанной, диффузно-филаментарной фазе. При давлениях 13...50 кПа наблюдаются отдельные филамен-
Рис. 8. Энергетический баланс внутри кюветы эксилампы: доля мощности разряда, идущая на 1) генерацию акустических колебаний ах; 2) непосредственный нагрев газа ат; 3) сумма аа+ат (т0=тас, 5=0,5)
Выводы
Исследования термодинамических процессов в KrCl-эксилампе (222 нм) барьерного разряда, проведенные с помощью измерения скачка давления, показали, что: 1) при включении (выключении) лампы зависимость скачка давления от времени состоит из быстрой (характерное время 30...160 мс) и медленной частей (100 с); 2) быстрая часть скачка давления связана с генерацией акустических волн (10...30 мс) и непосредственным нагревом газа (30... 160 мс) в процессе разряда; 3) медленная часть скачка давления обусловлена общим нагревом лампы; 4) филаменты являются основным источником акустических колебаний, причем нагрев газа в филаментарной фазе разряда осуществляется, в первую очередь, в процессе диссипации энергии акустических колебаний.
Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (проект № 3583p).
Материалы статьи доложены и обсуждены на Международной конференции Atomic and Molecular Pulsed Lasers, Томск, 14-18 сентября, 2009 г.
0.4
0.2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Boyd I.W., Zhang J.Y. New large area ultraviolet lamp sources and their applications // Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research. B.
- 1997. - V. 121. - P. 349-356.
2. Ломаев М.И., Скакун В.С., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В., Ерофеев М.В. Эксилампы - эффективные источники спонтанного УФ и ВУФ излучения // Успехи физических наук. - 2003. - Т. 173. - № 2. - С. 201-217.
3. Авдеев С.М., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Излучение молекул йода I2* в барьерном разряде // Квантовая электроника. - 2007.
- Т. 37. - № 1. - С. 107-110.
4. Авдеев С.М., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Оптические характеристики плазмы эксиламп барьерного разряда на димерах га-
логенов I2*, Cl2*, Br2* // Оптика и спектроскопия. - 2007. -Т. 103. - № 4. - С. 546-552.
5. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Том XI-4. Газовые и плазменные лазеры. - М.: Физматлит, 2005. - С. 530, 531.
6. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. - М.: Наука, 1989. - 432 с.
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. - М.: Наука, 1988. - 736 с.
Поступила 14.12.2009 г.
