Исследование короткодугового ксенонового разряда высокого давления при постоянном токе и в режиме импульсно-периодического питания

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

Сведения о проекте

описание

Дуговые разряды в инертных газах высокого и сверхвысокого давления, к которым относится и короткодуговой ксеноновый разряд высокого (сверхвысокого) давления, используются там, где требуется получить высокую интенсивность оптического излучения, иметь непрерывный спектр излучения, в том числе, максимально близкий к солнечному, и часто там, где источник излучения должен быть практически точечным (использование короткой дуги). В этом отношении дуговые разряды и, в частности, короткодуговой ксеноновый разряд, не имеют аналогов и вряд ли могут быть замещены другими источниками оптического излучения. Разряды высокого и сверхвысокого давления в инертных газах изучены достаточно хорошо [1,2]. Исследованы их оптические, спектроскопические, светотехнические и электрические характеристики. Это справедливо, как правило, для интегральных характеристик разряда: изучены полный световой поток, спектр излучения разряда как целого, светотехнические, электрические, энергетические характеристики. Существуют также немногочисленные исследования, в которых изучаются отдельные интересующие авторов аспекты работы таких разрядов, направленные на решение конкретных научных, технических или других задач. Например, в работе [3] были экспериментально исследованы радиометрические характеристики инфракрасного излучения ксеноновых короткодуговых ламп мощностью 150 Вт, в работе [4] изучалась эффективность рециркуляции света обратно в зону излучения разряда, и было показано, что такая рециркуляция может усилить излучение.Однако ряд вопросов остается неисследованным. Прежде всего, это касается возможного присутствия атомов материала электродов в разряде и их влияния на свойства плазмы. Сильноточные дуговые разряды, в том числе, источники света на основе ксенонового разряда высокого и сверхвысокого давления, имеют, как правило, торированные вольфрамовые катоды для уменьшения работы выхода и увеличения эмиссии электронов из материала катода. Сильный нагрев катода, вызванный большими плотностями тока, может привести к испарению атомов тория в разрядный промежуток. Торий имеет примерно вдвое более низкий потенциал ионизации (6.3 эВ) [5], чем ксенон (12.13 эВ), поэтому его присутствие в разрядном промежутке, безусловно, может сильно повлиять на характеристики плазмы. Сходный результат был получен в работе [6], где было показано, что присутствие в ксеноновом разряде атомов с низким потенциалом ионизации (в качестве добавки к атомам ксенона использовались молекулы галогенидов металлов, которые в условиях разряда разлагались на металл и галоген) существенно изменяло (улучшало) излучательные характеристики плазмы. Проведенное ранее исследование спектра излучения вдоль оси ксенонового короткодугового разряда сверхвысокого давления [7,8] дало результаты, которые невозможно объяснить без учета эмиссии тория в разрядный промежуток: атомы тория, попадая в разряд, уменьшали температуру плазмы, что существенно влияло на его оптические характеристики. Данные результаты были получены при исследовании короткодугового разряда стандартной ксеноновой лампы мощностью 250 Вт. Разряд создавался между вольфрамовым торированным катодом, имеющим остроконечную форму, и массивным вольфрамовым анодом, имеющим форму цилиндра с площадью основания, много большей площади «кончика» катода (разряд расширялся в сторону анода). Расстояние между электродами составляло 3 мм, давление ксенона в холодной лампе – 20 атм. (концентрация атомов ксенона на оси дуги ~ 1020 см–3), плотность тока вблизи катода ~ 103 А/см2. Вблизи катода возникала область (катодное пятно), имеющая максимальную интенсивность в видимой части спектра; затем, по мере приближения к аноду и расширения разряда, интенсивность излучения плазмы уменьшалась. Анализ измеренных в разных точках оси разряда спектров излучения плазмы (область измерения 240-500 нм) дал неожиданно низкую температуру плазмы вблизи катода, что не должно наблюдаться в случае однородного газа, поскольку напряженность электрического поля в этом случае будет максимальной у катода. Полученный результат можно объяснить присутствием тория вблизи катода, который, действительно, уменьшает температуру плазмы и обеспечивает превалирование ионов тория над ионами ксенона в этой части разряда. При этом интенсивность излучения в видимой области имеет максимум вблизи катода и не коррелирует с температурой плазмы, что, очевидно, также невозможно объяснить в случае однородного разряда (присутствие в плазме только атомов ксенона). К сожалению, в силу определенных экспериментальных трудностей к настоящему времени нет надежных данных (экспериментальных, расчетных) о температуре катодов сильноточных разрядов в инертных газах. Эти трудности связаны, по-видимому, с различной формой катода (цилиндрической, конической), разными добавками (торий, редкоземельные элементы) к материалу катода (вольфраму), величиной разрядного тока и другими условиями разряда (сортом газа и его давлением), что приводит к довольно большому разбросу в получаемой температуре катода: от 3000 К [9] (и даже ниже) до примерно 4000 K [10-15]. Большинство этих данных получено для разряда в аргоне при атмосферном давлении. Наиболее ценными и интересными для нас являются результаты работы [16], в которой для ксенонового разряда высокого давления с катодом, допированным 2% ThO2, была получена температура острия катода 3631 К. Основываясь на температурной зависимости насыщенных паров тория над его поверхностью [17] (торий образует на поверхности вольфрама «лужицы» и испаряется из них) можно заключить, что температура порядка 3600 К обеспечит концентрацию атомов тория вблизи катода > 1017 cm–3. Эта величина сравнима с ожидаемой концентрацией электронов [12,18], что в случае ионизации атомов тория должно сильно влиять на свойства плазмы. Работа катодов аргонового дугового разряда, для которого получен основной массив данных, сходна с работой катодов разряда в ксеноне, поэтому мы полагаем, что температура катода ~ 3600 К и выше обеспечит значительное испарение атомов тория в прикатодную область разряда. В работе [19] была построена модель ксенонового разряда высокого давления для одномерного случая (разряд между двумя плоскостями, расстояние между которыми много меньше их линейных размеров). В рассмотрение была включена эмиссия атомов тория в разрядный промежуток. Было получено не только качественное, но и в какой-то мере количественное согласие с данными эксперимента [7,8]. Импульсно-периодический разряд представляет особый интерес. Известно [20], что для разрядов низкого давления переход от питания постоянным током к импульсно-периодическому сильно влияет на характеристики плазмы и при определенных условиях увеличивает долю мощности, идущей на неупругие процессы (ионизация, возбуждение атомов). В случае разряда в смеси паров ртути с инертными газами (ртутные люминесцентные лампы) это позволяло увеличить светоотдачу люминесцентных ламп.Переход к импульсно-периодическому питанию короткодугового ксенонового разряда высокого давления также может дать возможность сильного воздействия на характеристики плазмы и, таким образом, открыть новые перспективы для научных и практических применений такой плазмы. Во-первых, можно ожидать, что напряженность электрического поля в токовом импульсе будет выше напряженности поля в разряде постоянного тока при той же вкладываемой в разряд мощности. Это должно привести к росту температуры плазмы в импульсе и существенному изменению оптических, спектральных и других характеристик плазмы. Во-вторых, импульсно-периодический режим питания разряда должен уменьшить средний ток разряда при одинаковой с DC разрядом мощности и, следовательно, энергетическую нагрузку на анод. Это уменьшит температуру анода, которая в значительной степени ограничивает получение разрядов большой мощности. Наконец, в третьих, импульсно-периодический режим протекания тока, безусловно, повлияет на пространственное распределение атомов и ионов тория в разрядном промежутке. Это также приведет к изменению характеристик плазмы. Экспериментальные данные [7,8] подтверждают приведенные соображения. Суммируя описанные выше результаты работ, выполненных ранее, можно констатировать, что 1) явление эмиссии атомов катода и его влияние на характеристики плазмы дугового сильноточного разряда высокого (сверхвысокого) давления при использовании электродов, допированных легкоионизуемыми добавками, практически не изучено, что кардинальным образом влияет на понимание процессов, формирующих свойства плазмы;2) переход от питания разряда постоянным током к импульсно-периодическому может дать возможность сильного воздействия на характеристики плазмы и открыть новые возможности научного и технического применения разрядов высокого давления. Оба приведенных положения имеют экспериментальное подтверждение. Следующим шагом должна быть теоретическая интерпретация обнаруженных явлений. [1] Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М .: Энергоатомиздат, 1991. 720 с.[2] Benilov M. Summer school on Plasma Physics PlasmaSurf // 2016. Portugal, Oeiras.[3] Nakar D., Malul A., Feuermann D., and Gordon J.M. // Appl. Optics. 2008. Vol. 47. No 2. P. 224-229. https://doi.org/10.1364/AO.47.000224.[4] Malul A., Nakar D., Feuermann D., and Gordon J.M. // Optics express. 2007. No 15(21). P. 14194-201. [5] Kohler S., Deissenberger R., Eberhardt K., Erdmann N., Herrmann G., Huber G., Kratz J.V., Nunnemann M., Passler G., Rao P.M., Riegel J., Trautmann N., and Wendt K. // Spectrochim. Acta. Part B 1997. Vol. 52. P. 717-726, 1997. DOI:10.1016/S0584-8547(96)01670-9.[6] Neiger M., Hoppstock R., and Kleiner B. US Patent 4937496. 1990.[7] Тимофеев Н.А., Сухомлинов В.С., Зиссис Ж., Мухараева И.Ю., Дюпуа П..// Материалы Х Всероссийской конференции по физической электронике (ФЭ-2018, Махачкала). 2018. С. 19-23.[8] Timofeev N., Sukhomlinov V., Zissis G., Mukharaeva I., and Dupuis P. // IEEE. 2019, Vol.47, Issue 7, pp. 3266-3270, Julay 2019, DOI: 10.1109/TPS.2019.2918643. [9] Bergner A., Scharf F.H., Kuhn G, Ruhrmann C., Hoebing T., Awakowicz P., and Mentel J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2014. Vol. 23. No 5. P. 054005-054017. doi:10.1088/0963-0252/23/5/054005. [10] Sillero J.L., Ortega D., Munoz-Serrano E., and Casado E. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43. No 18. P. 185204, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00629948. [11] Reinelt J., Westermeier M., Ruhrmann C., Bergner A., Awakowicz P., and Mentel J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. Vol. 44. No 9. P. 95204, 2011. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00599244. [12] Zhu P., Lowke J.J., and Morrow R. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1992. Vol. 25. No 9. P. 1221-1230. [13] Wendehtorr J. Wohlfahrt H., and Simon G. (1999, Jun.). // ICOPS’99. [IEEE]. 2002. DOI: 10.1109/PLASMA.1999.829559. [14] Baeva M., Uhrlandt D., Benilov M.S., and Cunha M.D. // Plasma Sources Sci. Technol. 2013. Vol. 22. P. 065017-065025. doi:10.1088/0963-0252/22/6/065017. [15] Baeva M. // Plasma Chem. Plasma Process. 2017. Vol. 37. P. 341-370. DOI:10.1007/s11090-017-9785-y. [16] Minayeva O.B. and D. A. Doughty. // 59th GEC Conference. 2006. Columbus, OH.[17] Stull D. In book: American Institute of Physics Handbook, Third Edition / Edited by Gray D.E. McGraw Hill, New York (1972).[18] Waymouth John F. // IEEE . 1991. Vol. 19. No 6. P.1003.[19] Н.А.Тимофеев, В.С.Сухомлинов, G.Zissis, И.Ю.Мухараева, Д.В.Михайлов, P.Dupuis // ЖТФ, 2019, вып. 10, стр. 1556, DOI:10.21883/JTF.2019.10.48171.103-19. [20] В.М.Миленин, Н.А.Тимофеев. “Плазма газоразрядных источников света низкого давления”, Из-во Ленинградского университета, гл. 4, стр. 144-180, 1991.
Короткий заголовокКороткодуговой ксеноновый разряд
АкронимRFBR_ASP_2020
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания1/09/201/09/22

Ключевые слова

  • короткодуговой разряд
  • плазма
  • эмиссия материала катода
  • торий
  • локальное термодинамическое равновесие
  • постоянный ток
  • импульсно-периодический разряд