Эксперимент
Соответствие результатов экспериментальных исследований и расчётов, проведённых в рамках построенной физико-математической модели, проверялось на лампе типа ИНП-5/45 для двух значений электрического напряжения (Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В)
на накопительной ёмкости CK=13 мФ блока конденсаторов для второго режима функционирования электрической схемы питания (см. рис. 1 в части 1). Силовой импульс напряжения накачки был приложен к газоразрядному промежутку лампы, между электродами которой предварительно был сформирован плазменный канал псевдодежурной дуги.
Регистрация переходных характеристик мгновенных напряжений, пропорциональных переходным характеристикам мгновенных напряжений накачки между электродами ИКЛ ulamp(t), осуществлялась с помощью резистора R5, находящегося в нижнем плече резисторного делителя R5–R6. Мгновенные напряжения, снимаемые с резистора R5, пропорциональны мгновенным напряжениям накачки ulamp(t) между электродами (анодом и катодом) ИКЛ. Регистрация экспериментальных временных зависимостей мгновенных электрических токов накачки ichannel(t) в плазменном канале импульсной ксеноновой лампы ИКЛ, приведённых на рисунках 1а, 1б вместе с результатами решения системы уравнений для расчёта мгновенных токов ichannel(t) в плазменном канале, осуществлялась с помощью резистора (активного сопротивления) R3. На представленных рисунках: 1 и 1* –
экспериментальная и рассчитанная характеристики при Ulamp 1=169 В; 2 и 2* –
экспериментальная и рассчитанная характеристики при Ulamp 2=223 В. Экспериментальные временные характеристики мгновенных электрических мощностей накачки, поступающих в лампу, были определены с помощью электрических напряжений накачки Ulamp между электродами лампы ИКЛ и измеренных временных характеристик мгновенных электрических токов накачки ichannel(t) в плазменном канале. Импульсный стабилитрон (диод Зенера) VD4 предназначен для защиты осциллографа 3 от перенапряжений на резисторе R5, возникающих при отсутствии стабилитрона VD4, во время воздействия импульса высокого напряжения зажигания (поджига) между анодом и катодом ИКЛ.
Как следует из рисунков 1а, 1б, экспериментальные и рассчитанные временные зависимости мгновенных токов ichannel(t) в процессе формирования ксенонового плазменного канала дугового электрического разряда в ИКЛ удовлетворительно согласуются между собой, что свидетельствует об адекватности предложенных физико-математических моделей по отношению к экспериментальным измерениям.
Регистрация переходных характеристик поверхностных плотностей мощностей излучения ИКЛ осуществлялась с помощью фотоприёмника VD3 и резистора (активного сопротивления) R4. По экспериментальным переходным характеристикам поверхностных плотностей мощностей излучения ИКЛ, заданному расстоянию от лампы до фотоприёмника, известной длине газоразрядного промежутка между анодом и катодом лампы, известной площади поперечного сечения фоточувствительной области фотоприёмника определены экспериментальные переходные характеристики мощностей излучения ИКЛ (ИНПКЛ) N(r)lamp(t).
На рисунках 2а, 2б приведены экспериментальные и расчётные временные зависимости десятичных логарифмов от поступающих в ИКЛ нормированных мгновенных электрических мощностей lg(N(e)lamp(t)/N(e)pdao) (2) и нормированных мощностей излучения lg(N(r)lamp(t)/N(e)pdao) (19) импульсной ксеноновой лампы относительно поступающей электрической мощности в плазменный канал псевдодежурной дуги. 1e и 1e* – экспериментальная и рассчитанная характеристики электрических мощностей при Ulamp 1=169 В; 2e и 2e* – то же при Ulamp 2=223 В; 1r и 1r* – экспериментальная и рассчитанная характеристики мощностей излучения при Ulamp 1=169 В; 2r и 2r* – то же при Ulamp 2=223 В.
Как следует из рисунков 2а, 2б, экспериментальные и рассчитанные временные зависимости десятичных логарифмов от поступающих в импульсную ксеноновую лампу нормированных мгновенных электрических мощностей lg(N(e)lamp(t)/N(e)pdao) и её нормированных мгновенных мощностей излучения lg(N(r)lamp(t)/N(e)pdao) в процессе формирования ксенонового плазменного канала дугового электрического разряда в ИКЛ удовлетворительно согласуются между собой при одном и том же значении напряжения на лампе. Также следует учесть, что увеличение напряжения между электродами лампы сопровождается возрастанием скоростей нарастания и сокращением длительностей фронтов поступающих в неё электрических мощностей и излучаемых ею мощностей.
На рисунках 3а, 3б представлены рассчитанные и экспериментальные временные зависимости эффективностей преобразования подводимых к импульсной ксеноновой лампе силовых импульсов электрических мощностей накачки в импульсы мощностей излучения лампы N(r)lamp/N(e)lamp. 1 и 1* – экспериментальная и расчётная характеристики при Ulamp 1=169 В; 2 и 2* – экспериментальная и расчётная характеристики при Ulamp 2=223 В.
Из рисунков 3а, 3б видно, что по мере расширения плазменного канала и увеличения его температуры эффективность преобразования поступающих в импульсную ксеноновую лампу электрических мощностей в мощности её излучения увеличивается с течением времени при фиксированном напряжении между анодом и катодом лампы. Также следует учесть, что увеличение напряжения между электродами лампы сопровождается возрастанием скоростей нарастания и сокращением длительностей фронтов эффективностей преобразования поступающих в лампу электрических мощностей в мощности её излучения.
На рисунках 4а, 4б приведены расчётные временные зависимости десятичных логарифмов от нормированных мощностей для ионизации расширяющегося неравновесного плазменного канала lg(N(i)channel(t)/N(e)pdao) (5), нагрева плазменного канала lg(N(T)channel(t)/N(e)pdao) (13), (16), излучения плазменного канала lg(N(r)channel(t)/N(e)pdao) (18) и теплоотдачи из канала в окружающую среду lg(N(c)xe(t)/N(e)pdao) (23) относительно поступающей электрической мощности в плазменный канал псевдодежурной дуги. На рисунке 4а: lg(N(i)channel(t)/N(e)pdao): 1i*, 2i* – при Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В; lg(N(T)channel(t)/N(e)pdao): 1T*, 2T* – при Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В; lg(N(r)channel(t)/N(e)pdao): 1r*, 2r* – при Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В; lg(N(c)xe(t)/N(e)pdao): 1c*, 2c*– при Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В. На рисунке 4б: lg(N(T)channel(t)/N(e)pdao): 1T*, 2T* – при Ulamp 1= =169 В и Ulamp 2=223 В; lg(N(r)channel(t)/N(e)pdao): 1r*, 2r* – при Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В; lg(N(c)xe(t)/N(e)pdao): 1c*, 2c* – при Ulamp 1=169 В и Ulamp 2=223 В.
Как и следовало ожидать, в процессе расширения неравновесного плазменного канала временные зависимости десятичных логарифмов от нормированных мощностей для ионизации расширяющегося плазменного канала lg(N(i)channel(t)/N(e)pdao), нагрева плазменного канала lg(N(T)channel(t)/N(e)pdao), излучения плазменного канала lg(N(r)channel(t)/N(e)pdao) и теплоотдачи из канала в окружающую среду lg(N(c)xe(t)/N(e)pdao) увеличиваются со временем при одном и том же значении напряжения на лампе. При этом увеличение напряжения между электродами лампы ведёт к возрастанию скоростей нарастания мощностей для ионизации расширяющегося плазменного канала, нагрева плазменного канала, излучения плазменного канала и теплоотдачи из него в окружающую среду.
На стадиях увеличения и поддержания температуры равновесного плазменного канала временные зависимости десятичных логарифмов от нормированных мощностей для излучения плазменного канала lg(N(r)channel(t)/N(e)pdao) увеличиваются со временем и устанавливаются по амплитуде при фиксированном значении напряжения на лампе. При этом увеличение напряжения между электродами лампы ведёт к возрастанию скоростей нарастания и амплитуд мощностей для излучения плазменного канала.
На рисунках 5а, 5б приведены расчётные временные зависимости спектральных относительных коэффициентов поглощения излучения AT (20) плазменного канала в ИКЛ. Условные обозначение: 1* – при Ulamp 1=169 В, 2* – при Ulamp 2=223 В.
Представленные на рисунках 5а, 5б временные зависимости спектральных относительных коэффициентов поглощения излучения AT (20) демонстрируют схожее поведение, то есть монотонное возрастание на протяжении стадий расширения канала и увеличения температуры равновесного плазменного канала, а на стадии поддержания температуры равновесного плазменного канала происходит установление этих коэффициентов поглощения излучения по амплитуде. При увеличении электрического напряжения, прикладываемого к газоразрядному промежутку лампы, наблюдается увеличение характерных скоростей возрастания спектральных относительных коэффициентов поглощения излучения плазменного канала.
Из временных зависимостей тепловых мощностей, расходуемых на разогрев плазменного канала и теплоотдачу из него в окружающую среду, продемонстрированных на рисунках 4а, 4б, следует, что основным ограничителем коэффициента полезного действия преобразования электрической энергии, поступившей в импульсную ксеноновую лампу за длительность импульса тока накачки, в энергию излучения за тот же интервал времени являются тепловые потери.
Удовлетворительное совпадение результатов физико-математического моделирования с экспериментальными исследованиями позволяет говорить о применимости предложенных физико-математических моделей для определения временных характеристик физических параметров плазменного канала импульсного дугового электрического разряда в импульсных ксеноновых лампах.
Создание описанных физико-математических моделей плазменного канала позволяет не только получить расчёты для полномасштабного плазменного моделирования, учитывающего специфику существенных для рассматриваемой системы элементарных столкновительных и радиационных процессов в плазме, но и даёт возможность оценить ряд важных для оптимизации режимов работы газоразрядных ламп накачки внутренних физических параметров нелокального нестационарного плазменного канала.
Низкая эффективности преобразования поступающих в импульсную ксеноновую лампу электрических мощностей в мощности её излучения на стадии расширения ксенонового неравновесного плазменного канала обусловлена доминированием энергетических потоков, расходуемых на создание, разогрев и формирование плазменного канала в газоразрядном промежутке лампы. На стадиях увеличения и поддержания температуры равновесного плазменного канала, являющихся последующими стадиями горения дугового электрического газового разряда, происходит существенное перераспределение энергетических потоков, что приводит к возрастанию эффективности преобразования поступающих в импульсную ксеноновую лампу электрических мощностей в мощности ее излучения.
Заключение
Описанная работа является этапом комплексного прикладного исследования нелокальной плазмы импульсного дугового электрического разряда в ксеноновых лампах для оптической накачки. Работа выполнена в рамках серии исследований, посвящённых разработке эффективных методов физико-математического моделирования нелокальной газоразрядной плазмы и их использования для практических приложений. Полученные в настоящей работе результаты будут использованы в качестве приближения для многопараметрического моделирования плазмы в весьма сложном и интересном для теории и практики моделирования случае нестационарной фазы развития электрического газового разряда. В этой связи представляется интересным сопоставление результатов проделанного в рамках энергетического подхода квазианалитического рассмотрения с результатами популярных сегодня существенно более ресурсоёмких физико-математических моделей, основанных на учёте совокупности элементарных плазменных процессов в рамках квазигидродинамических приближений.
С точки зрения задач для оптимизации работы импульсных ламп оптической накачки, данная работа будет продолжена. Совокупность физико-математических моделей, базирующихся на системах уравнений, будет использоваться как база для решения задач для оптимизации режимов работы импульсных ксеноновых ламп.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!