Исследования интенсивности спектральных характеристик газоразрядных ламп Текст научной статьи по специальности «Физика»

0,6

£ 0,4

0,2 -<

О -

Оф

0

0,5

X 1

1,5 -,

! -

0,5 0

о

0,5 X

а|

б)

Рис. 5. Погрешность решения для 10% (а) и 1% (б) профиля Жуковского (точки - погрешность стандартного метода панелей,

кружки _ предлагаемого метода)

может иметь другой вид, а условие (2) может быть заменено другим условием.

Библиографический список

1. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов / К. Бреббия, Ж. Телес, Л. Вроубел. - М.: Мир, 1987.

2. Горелов Д.Н. Методы решения плоских краевых задач теории крыла / Д. Н. Горелоп. ■ Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000.

3. Метод граничных интегральных уравнений. Вычислительные аспекты и приложения в механике / Под ред Т. Круз, Ф. Риццо. • М.: Мир, 1079.

4. Горелов Д.Н., Редреев Д.Г. Применение кубических сплайнов для аналитического представления замкнутого контура, заданного таблицей координат / Д. Н. Горелов, Д. Г. Редреев // Сибирский журнал индустриальной математики. - 2005. - №2(22]. - С. 26-31. - Т. 8.

РЕДРЕЕВ Денис Григорьевич, аспирант.

Дата поступления статьи в редакцию: 24.06.06 г. © Редреев Д.Г.

УДК 535 621 31 в. и. ГОРБУНКОВ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП__

На примере широко распространенной ртутной дроссельной бактерицидной лампы, работающей на постоянном токе, рассмотрен вопрос влияния колебаний сетевого напряжения на спектральные характеристики газоразрядных ламп. Отмечается соответствие спектральных характеристик газоразрядных ламп, размещенных в непрозрачном металлическом корпусе по закону излучения Планка.

Введение

Неослабевающий интерес к источникам ультрафиолетового диапазона [1] заставляет обратить внимание на характеристики излучения ртутных ламп, подверженных влиянию целого ряда факторов. Одним из основных факторов нестабильности излучения газоразрядных ламп низкого давления (НД), учесть который достаточно сложно, является изменение напряжения в сети. Следует ожидать, что уровень нестабильности интегрального и монохроматического излучения в целом соответствует уровню нестабильности напряжения сети, поэтому важна оценка излучательных характеристик дроссельной ртутной газоразрядной лампы как объекта управления при стабилизации интенсивности излучения.

На близость газоразрядных источников света к термодинамически равновесным указывал еще С.Э.Фриш |2], и он же предупреждал о сложности характера протекающих в них процессов, отличающихся от равновесия.

Основная часть

Исследования проводились на лабораторной установке, состоящей из ртутной газоразрядной лампы (ДРБ-8) с пусковым устройством для питания лампы на постоянном токе [3] (см. рис.1).

Подогрев катода лампы осуществлялся кнопочным включателем с возвратом, время переключения которого не более 0,2 с.

Для моделирования колебания сетевого напряжения на входе схемы установлен регулирующий

Рис. 1. Схема моделирования колебаний сетевого напряжения газоразрядной лампы

артотрансформатор, имеющий не менее чем пятикратную мощность по отношению к полной мощности схемы, в роли балластного сопротивления применялся резистор R1, для формирования импульса зажигающего лампу использован стандартный дроссель L15.329.

При измерениях были соблюдены все необходимые, в том числе климатические условия.

Диапазон питающего схему напряжения составлял от 100 до 320 В. Эти изменения приводили к вариации величины питающего лампу постоянного напряжения от 67 до 56 В. Величина тока лампы, соответственно, менялась от0,250Адо 0,400А.

На рис.2 приведена смятая часть вольт-амперной характеристики газоразрядной лампы при питании от источника постоянного тока. По величине тока разряда можно судить о том, что газовый разряд занимает переходный участок от аномально тлеющего к дуговому. Этот участок разряда характеризуется достаточно большим свечением, поэтому целесообразно исследовать работу лампы на этом участке.

Поскольку газоразрядная лампа в подавляющем числе медицинских приборов размещается в непрозрачном для излучения корпусе, а излучение лампы воздействует на помещенную внутри корпуса систему (либо оптическую, либо специальную кювету), и находится в замкнутом теплоизолированном пространстве, то возможно рассмотрение работы лампы в приближении абсолютно черного тела.

Тубус диаметром 12 см с боковым отверстием 0,9 см, расположенным напротив средней части ГЛ, устанавливался на оптической скамье на расстоянии 0,6 м от объектива дифракционного спектрографа ДФС с полупроводниковым оптическим многоканальным анализатором спектра SKCCD с разрешением до 0,05 нм.

Как известно [4], энергетический поток характеризуется функцией распределения энергии по

длинам волн (либо по волновым числам) Ф/ •/ . Для теплового излучения функция Флг • с точностью до коэффициента Ал , , говпадает с формулой Планка для лучеиспускательной способности абсолютно черного тела

Ас

. . 2 7rhc~

ечр

I Як У

Здес; Т— абсолютная температура излучающего тела, /] — постоянная Планка, с — скорость света, к— постоянная Больцмана, коэффициент Алг — поглощательная способность излучающего тела.

На рис.3 приведена зависимос ть интенсивности излучения черного тела от значения волновых чисел.

Как видно из рис.3 закон излучения Планка в целом соответствует линейчатому спектру излучения ртутной газоразрядной лампы низкого давления. Снижение интенсивности отдельных линий относительно планковской кривой указывает не на о тсутствие, а на отклонение от термодинамического равновесия. Оно вызвано прежде всего тем, что для достижения полного термодинамического равновесия требуется высокая плотность газа, в данном же случае она составляет относительно малую величину (0,80,9 Па). Известны затруднения [5] по выбору критерия относительного равновесия при исследуемом состоянии плазмы.

Как видно из рис. 3, закон излучения Планка в целом соответствуеглинейчатому спектру излучения ртутной газоразрядной лампы низкого давления. Снижение интенсивности отдельных линий относительно планковской кривой указывает не на отсутствие, а на отклонение от термодинамического равновесия. Оно вызвано, прежде всего тем, что для достижения полного термодинамического равновесия требуется высокая плотность газа, в данном же случае она составляет относительно малую величину (0,8-0,9 Па). Известны затруднения [5] по выбору критерия относительного равновесия при исследуемом состоянии плазмы.

\ ( \ 1 \ 1 i i 1

pv ;

i ' i

i ; ; I.A

Рис.2. Вольт-амперная характеристика газоразрядной лампы

27J4 31 .'J'J 3 S.i. J'J-1

Волновое число г-ю Yw 1

Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения черного тела в пространстве волновых чисел (непрерывная кривая) и спектральная характеристика ГЛ НД при токе 0,34 А

линий (253,7мм падает на 3%, а 435,8 нм на 49,78%), в то время как для других линий наблюдается рост интенсивности (от 0,1 % для 296,73 нм и до 34,08 % для 365,0 нм). Очевидно, что с изменением силы тока, текущего через лампу изменяется распределение энергии излучения между спектральными линиями.

Более подробный анализ спектральных характеристик газоразрядной лампы низкого давления позволил сделать следующие заключения.

Нестабильность интенсивности излучения при переходе к дуговому разряду (при относительном изменении тока лампы 15 — 17 %) составила для линий ультрафиолетового спектра диапазонов С — величину 0,2; для В - 0,067 - 0,088; для А - 0,45 - 2,32.

В газовом разряде в пределах величины тока 0,340-^0,400А, поглощение и излучение резонансных линий (253,7нм; 404,7нм; 435,8нм; 546,1 нм) находится в равновесии, причем ширина линии поглощения не меняется в указанных пределах величины тока, оставаясь асимметрично сдвинутыми в сторону длинноволновой части;

— у линий (296,73нм; 312,60нм; 365,Онм) при прохождении через плазму разряда поглощения обнаружено не было;

— в плазме аномально тлеющего разряда в области резонансной линии 253,7нм наблюдается провал в излучении, ширина которого уменьшается по мере приближения к дуговому разряду (т.е. при токе лампы 0,300 - 0,350 А);

Все это соответствует общим представлениям о плазме газового разряда низкого давления, утверждающим, что излучение резонансных линий приближается к закону излучения Ламберта, а других линий — к закону Эйлера [7];

Выводы

При исследовании спектральных характеристик дроссельной ртутной газоразрядной лампы низкого давления, размещенной в непрозрачном металлическом корпусе при питании постоянным током было обнаружено, что

— огибающая линейчатого спектра излучения соответствует закону излучения Планка;

Таблица 1

Зависимость интенсивности спектральной линии ртути от тока лампы

Интенсивность спектральной линии

Длина волны (им) Золновое число V (Ю'см1) Уровень энергии (эВ| Переход в% к значению при л„,„ ■ 100% в%к значению при / ^ .

Ашн /...... А|их

253,7 39.416 4,89 Р, ' 6''£„ 29,9 934.37 97

296,73 33,70 8,85 6'о, - 6*Р„ 18,95 940,42 101,5

312,60 31.99 8.85 ь' о: - ь'р 13,15 962.15 100.1

365,0 27,40 8,85 Ь'О.. ■ Ь'Г. 16,28 60,74 134,08

404,7 24,709 7,73 б1/; 11,09 872,04 100,68

435,8 22,946 9,55 7'5, " 6~>Р, 16,89 798,87 50,22

546,1 18,31 7,73 7'• 6'Л 40,58 583,03 110,52

1000 750

500

1 3 5 7 9 11 13 15 17

■ 0,25 А 0 0,34 А 0 0,4 А

Рис. 4. Изменение интенсивности излучения ртутной газоразрядной лампы в пространстве волновых чисел для трёх различных значений тока; 0,250 А - для аномально тлеющего разряда; 0.340 А и 0,400 А - при переходе к дуговому

По максимуму интенсивности спектральных линий излучения, согласно закону смещения Вина, была определена температура электронной компоненты плазмы. Она составила (для номинального значения тока / мом = 0,340 А и падения напряжения на лампе 60 В) Те «2898 10'/312,60 (нм) = 9 270,63 К. Величина температуры соответствует ультрафиолетовому диапазону излучения |6].

Дальнейшее увеличение тока приводит к росту температуры этой компоненты, уменьшение тока — к ее падению.

Рассмотрим спектральные характеристики излучения газоразрядной лампы. На рис.4 представлена зависимость спектров от величины тока. Ток лампы, в зависимости от подаваемого напряжения, менялся в пределах ( / . = 0,250 А < I < ~ Апах = 0,400 А), /„„„ = 0,340 а"

Как видно из таблицы I, интенсивность излучения компонентов спектра также зависит от тока лампы, причем важно заметить, что интенсивность линий меняется непропорционально величине его.

Так, при изменении тока в пределах от 0,340 А до 0,250 А интенсивность всех спектральных линий падает в пределах от 11,09 % до 40,58 %, при росте тока от 0,340 А до 0,400 А интенсивность основных

— температура электронного компонента плазмы, определенная, согласно закона Вина, по максимуму интенсивности спектральных линий, составляет 9 270,63 К;

— нестабильность интенсивности излучения имеет наименьшее значение для линий вблизи максимума огибающей спектральных линий.

Библиографический список

I Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводные тома 1 - IV / Под ред. В.Е.Фортова. - М.: Наука, 2000.

2. Фриш С.Э. Оптические методы измерений. Ч 1. Световой потоки его измерение. Источники света. Учебное пособии. Изд-во Ленинградского ун-та, Ленинград, 1976. - 127 с.

3. Штурм К.Г. Пускорегулирующая аппаратура и схемы включения люминесцентных ламп. ИЛ., 1961, 375 с.

4. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. -М.: Энерго-атомиздат., 1991,720 с.

5. Виберман Л.М.. Воробьв B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 376 с.

6. Гуревич М.М.Введение в фотометрию. Ленингр. отд.: Энергия, 1968. 244 с.

7. Сапожников P.A. Теоретическая фотометрия. Изд. второе, переработанное. Ленингр.отд.: Энергия, 1067.270 ;

ГОРБУНКОВ Владимир Иванович, старший преподаватель кафедры «Элек-трониг.'. 1; автотракторное электрооборудование».

Дата поступления статьи в редакцию: 24.06.0o г, © Горбунков В.И.

Российские научные журналы

«Математическое моделирование»

Основан в 1989 году. Учредители: Российская академия наук, Институт математического моделирования РАН. Выходит ежемесячно в печатном и электронном виде.

Журнал публикует обзоры, оригинальные статьи и краткие сообщения, посвященные математическому моделированию с применением ЭВМ и численным методам решения сложных и актуальных проблем науки и современной технолог ии. Помещаются также работы, имеющие высокий предметный и математический уровень, показывающие возможности вычислительного эксперимента в данной области и освещающие следующие вопросы: постановки научно-технических задач, построение математических моделей для них, математические методы их исследований и вычислительные алгоритмы их решения, пакеты прикладных программ для решения актуальных задач, иллюстрированные расчеты, апробация моделей путем сравнения с экспериментальными или теоретическими данными. Публикуются рефераты препринтов и депонированных рукописей, письма в редакцию, научная информация (планы и итоги конференций, школ и т.п.). Возможна публикация объявлений и рекламных материалов,

Адрес редакции:

125047, Москва, Миусская площадь, д. 4а

Институт математического моделирования РАН

Электронный адрес редакции: [email protected]

Телефон редакции: (+ 7 095) 250-79-15 Факс: (+ 7 095) 972-07-23