微波硫灯局部热平衡理论研究

2013-12-07 王亚楠 电子科技大学

  目前国内对于微波硫灯的仿真研究集中于对工程结构的验证及优化,采用的方式是:在冷状态下,对整灯结构的电磁模型进行仿真或转化为等效电磁模型进行仿真。本文则是将关注点放在了发光机理中很重要的能量平衡部分,在热状态下采用自洽的局部热平衡理论,详细阐述了其用于仿真的迭代过程,并推导了其中各参量的计算公式。

  微波硫灯是一种高效节能的绿色无电极光源,该光源具有如下的优点:无电极污染、光效高、长寿命、显色性好、良好的光维持率、光谱连续、低紫外和红外辐射、人体舒适度高等。一个典型的微波硫灯是由以下几个模块组成:波导、谐振腔、灯泡、磁控管、电机组成。本文中所用的激发、维持与测量灯泡光谱的装置是由以下几部分组成:一个可以产生2.45GHz并将其引入波导中的磁控管,一个金属网状圆柱形谐振腔,以及一个由电机带动旋转固定在石英棒上的石英灯泡。

  灯泡的典型填充是30mg硫粉与104 Pa的氩气(室温)。这里氩气是用来作为激发气体将硫激发为气态,在本文中如果不加特别说明,两者的压强都是在典型的等离子体温度2500K下测量出来的值。

  计算机仿真是目前进行科学研究及器件设计的重要方法,目前根据仿真目的不同,对微波硫灯的仿真手段有两种,一种是对微波硫灯的等效电磁模型的仿真,研究其驻波比、场分布,主要目的为了设计和验证电磁结构,比如在诸葛天祥提到的用CST仿真硫灯的冷状态(非等离子体状态),以及徐丽梅提到的用CST 色散参数模型来仿真热状态。另一种主要是对发光过程中的等离子体状态建模,研究微波硫灯中的能量平衡过程,用来分析发光过程、研究输入功率的影响以及改进灯泡内填充物成分,国内的陈大华和刘晓亚都有对发光机理进行研究。然而,对于构成整套的可以用以准确仿真的灯泡内等离子体与微波相互作用的自洽理论目前研究较少,本文则是在热状态下采用自洽的局部热平衡理论,详细阐述了其用于仿真的迭代过程,并推导了其中各参量的计算公式。

1、理论推导

  由于高压导致的电子和S2的碰撞频率在10GHz量级,平衡恢复过程非常迅速,所以本文假设等离子体处于局部热平衡状态。其次在不考虑旋转与重力引起的对流传输影响的情况下,将该系统看作封闭系统,由于局部热平衡假设以及结构对称性,对于能量的处理,本文采用一维能量方程。

结论

  本文采用自洽局部热平衡模型,计算微波硫灯热状态下温度、电场分布,并详细阐述了其迭代过程,及各项参数的计算方式。将此模型在仿真中进行应用,能够用以预测光谱的发展趋势以及绝对辐射功率,对于更好地理解硫灯发光机理以及设计优化灯泡填充有着重要意义。