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《复旦大学》 2007年
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谐振腔耦合微波等离子体的光谱辐射研究

陈育明  
【摘要】: 据统计,照明用电量约占一个国家总耗电量的15%到25%,随着人类对环保和节能意识的不断增强,照明的节能和环保成为了一个重要的研究方向。微波光源具有长寿命、高光效的特点,使其成为国际科技界研究的热点。在微波光源的研究中,光谱辐射的研究具有重要意义。通过对光谱辐射的研究可以得到整个放电过程产生和维持的机理,结合对不同功率条件的分析和模拟,从而探讨微波等离子体光谱辐射的制约机制,为设计提高微波光源的效率而提供合理的参数条件,实现不同条件下的最优化设计。 等离子体的温度轮廓对研究光谱辐射有重要作用,本论文采用Boltzmann斜率法对微波硫等离子体的温度轮廓进行了测量,测量结果表明谐振腔耦合微波等离子体的温度最高值并不在轴心处,输入功率越高则温度最高值偏离轴心越远。通过迭代计算和电磁能量Joule加热的耦合方程来解Elenbaas-Heller能量平衡方程,可以对等离子体的温度轮廓进行模拟。模拟结果表明在高气压条件下微波能量主要集中在管壁附近的表层中,通过粒子间的碰撞、激发将能量传递到等离子体内部。通过实验结果和理论模拟的比较,可以看到理论模拟和实验结果的变化趋势一致,但模拟数值要比实验值低700K左右。 在温度轮廓计算的基础上,本论文还对微波硫等离子体的光谱辐射进行了理论模拟,根据辐射能量转移方程和谱线放宽轮廓理论对硫分子的光谱进行模拟,得到了与实验结果相符的结果。通过模拟来寻找不同功率条件下微波硫等离子体光谱辐射最佳的泡壳直径设计和充填量选择曲线,通过与实验情况对比得到了一致的结果。在微波功率减少时,泡壳直径几乎呈线性变化,而充填量的变化相对要小些。通过这样的设计可以有效提高微波光源的系统光效。 研究了InBr作为大功率微波光源的可行性,实验发现工InBr作为微波光源可以提供高品质的白光,但发光的光效会降低很多。在实际的设计中,与微波硫灯不同,改变功率容易引起光源发光的不稳定闪烁,因此需要很好地设计光源的功率控制,并必须根据光源的功率和泡壳直径灯参数设计InBr的充填量来保证正常工作。通过对InBr启动光谱的研究,得到了启动过程的基本规律,从整个启动过程中光谱辐射可以看出,发光物质气化的快慢将直接影响启动性能。研究了InBr放电的光电参数特性,控制放电的功率和温度轮廓将对光源的性能有至关重要的作用。还对其它的发光物质进行研究,并对其应用前景作出了评价。 最后对谐振腔耦合微波等离子体的启动过程进行了研究,通过等离子体击穿和上升过程的理论分析和实验测量来分析各种缓冲气体的启动特性。为了减少微波能量对微波器件的冲击,要求微波等离子体的启动过程要短。实验结果表明,击穿电压降低并不会使上升过程加快,而入射功率大则可以加快启动过程;采用(85)~Kr作为缓冲气体在30Torr条件下可以比普通的微波硫灯有更好的启动性能,启动时间减少20s,反射能量降低50%以上。并通过实验分析了其它微波等离子体启动过程的影响因素,得到了微波等离子体启动过程最佳参数的设计。
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