针对微波硫灯的基于能量平衡的等离子体模型研究

摘要

现代光源的快速发展，以及应用场合要求的多样化，光源市场呈现出多样化竞争局面,同时也使得对光效、稳定性、显色指数、可调节性、成本等指标的要求也越来越高。从发展历程上来讲，爱迪生发明白炽灯以来，电子光源的发展焦点从第一代热致发光的白炽灯光源到第二代的气体放电发光与光致发光结合的荧光灯，然后到第三代具有功率密度高结构紧凑的高压气体放电放电灯，目前为止第四代LED光源与无电极气体放电灯蓬勃发展。上世纪末发现的微波驱动硫等离子体发光的机理，促成了人们对微波硫灯的研究。研制出的微波硫灯具有光效高、无电极灯泡寿命长、连续全光谱发光的显示指数高与人体舒适度好，这些特点也使得它作为了第四代无电极气体放电灯的一个新成员，并且给予了科学家和工程师们更加强大的动力。到目前为止，商品化的微波硫灯已经开始在港口、码头、广场、工厂、仓库、舞台、体育馆、市政工程、农业哺育等大功率室内外照明场合进行了应用，取得了非常不错的成效。但是微波硫灯在发挥自身优点的同时也表现出一些有待克服的问题，现有磁控管驱动、带电机结构稳定性不够不能完全发挥出灯泡寿命长潜力，相较于其它中大功率光源，微波射频源的高成本也需要光效、稳定性、显色指数展现出更明显的优势等。
　　结合研究实际应用中的问题，为了更好的发挥出硫灯的潜力，本论文主要对微波硫灯的热状态仿真理论进行了研究。实际上微波硫灯的发光过程是一个微波与分子等离子体相互作用的复杂过程，也是一个前沿的多学科交叉的课题，针对研究的目的不同，目前有以下两种针对硫灯发光的仿真思路：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；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。本论文沿着后一种思路，在深入分析当今等离子体理论的基础上，对能量平衡过程进行了研究。主要内容为：
　　1．结合研究生阶段制作样灯的经验以及对市面上硫灯的调研，对硫灯的特点以及所存在的问题作了总结，并对现阶段仿真以及实验的手段进行了介绍。
　　2．对基于局部热平衡的自洽等离子理论进行了研究，在建立局部能量平衡方程的基础上，分别分析了其中的电场模型，热传导模型，辐射模型，化学平衡与粒子浓度，最后总结了用于数值计算的一维自洽理论构架流程。
　　3．由于模型的计算需要各种参数，对这套理论构架中所会用到的参数，如热导系数、电导系数、辐射产生及吸收系数等，进行了详细地理论公式推导。
　　4．对工作进行了总结，并且对模型局限性作出说明。

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第一章 绪 论

1.1研究背景介绍

1.1.1电光源的发展

1.1.2微波硫灯特点与发展

1.1.3微波硫灯的工程应用

1.2 微波硫灯仿真技术的发展

1.2.1 硫灯仿真概述

1.2.2 电磁模型

1.2.3 等离子体建模

1.3 本论文的结构安排

第二章 等离子体能量平衡过程建模

2.1 局部热平衡介绍

2.2 能量平衡方程

2.3 电场模型

2.3.1 趋肤深度假设

2.3.2假设依据

2.4热量传导的描述

2.4.1傅里叶定律

2.4.2球坐标下导热微分方程

2.5 辐射机理

2.5.1硫的特性

2.5.2分子能级结构及光谱特性

2.6 化学反应及粒子浓度

2.6.1粒子间的反应

2.6.2粒子浓度的计算

2.6.3各振动能级浓度计算

2.7迭代计算流程小结

第三章 等离子局部热平衡模型参数计算

3.1电导率的计算

3.1.1计算方式

3.1.2碰撞频率的处理

3.2热传导率的计算

3.2.1热传导率的构成

3.2.2冷态项计算

3.2.3反应项计算

3.2.4边界条件的处理

3.3辐射的激发与吸收系数的计算

3.3.1辐射发射系数计算

3.3.2谱线轮廓计算的改进

3.3.2辐射吸收系数计算

3.3.3射线的追踪

3.4计算结果与分析

3.4.1初始温度曲线的计算

3.4.2参量计算结果

第四章 总结

4.1 主要工作

4.2 局限与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果