Современная электроника №9/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2020 Физико-математическое моделирование энергетических процессов в импульсных прямых ксеноновых лампах, работающих в электрических схемах Часть 1 В статье представлено физико-математическое моделирование временных характеристик энергетических параметров плазменного канала дугового электрического разряда в импульсных прямых ксеноновых лампах при работе в схемах на основе модулятора с квазистабильными по амплитуде прямоугольными импульсами напряжения. Моделирование учитывает процессы ионизации, нагрева ксенона, электромагнитного излучения плазменного канала и теплоотдачи из него в окружающую среду. Построенные модели сопоставлялись с результатами эксперимента для временных характеристик энергетических параметров электрического разряда. Юрий Мандрыко, Александр Чирцов (Санкт-Петербург) Введение Импульсные стробоскопические пря- мые ксеноновые лампы (ИСПКЛ), импульсные прямые ксеноновые лам- пы для оптической накачки лазеров (ИНПКЛ), а также их зарубежные ана- логишироко применяются в различных отраслях науки и техники [1]. Перечис- ленные устройства находят приме- нение импульсных источниках света [2–4], в твердотельных лазерах типов LQ-529, LQ-830, LQ-929, MIT-51-2, лазе- рах на красителях, химических и других лазерах в качестве средств оптической ламповой накачки активных элемен- тов [5]. Импульсные ксеноновые лампы (ИКЛ) применяются в электрофизиче- ских установках [6] для измерения рас- стояний, вфотографии, сигнализации, сварке [7] и резке, медицине, космето- логии, светотехнике [8], фотохимии [9], спектрофотометрии [10], технологи- ях обеззараживания [11]. Параметры импульсного излучения ксеноновых ламп (длительность фронта импуль- са излучения, длительность импульса излучения, энергия импульса излуче- ния и его спектральные характеристи- ки) зависят от динамикиформирования, расширения неравновесного плазмен- ного канала, увеличения и поддержания температуры установившегося по объ- ёму равновесного плазменного канала имогут регулироваться в определённых пределах путёмизменения параметров электрического питания самих ламп, то есть выбором режима их работы. Для эффективного подбора режимов электрического питания газоразряд- ных ламп, обеспечивающего оптимиза- циюих работы, целесообразно создание полуэмпирических моделей, связыва- ющих между собой ранее указанные параметры. При этом оказывается, что практически важные и сравнительно легкодоступные экспериментальному определению электрические и оптиче- ские параметры импульсного электри- ческого разряда в инертном газе связаны между собой через внутренние физи- ческие параметры плазмы, определе- ние которых оказывается существен- но более сложной задачей. Появление современных средств физико-матема- тического численного моделирования нелокальной нестационарной плазмы [12] открывает пути для построения чис- ленныхмоделей газовых электрических разрядов в рамках гидродинамических приближений, не требующих чрезмерно больших вычислительных ресурсов [13]. В настоящее время физико-матема- тическое численное моделирование нелокальных плазменных сред пре- вратилось в мощный инструмент раз- вития современной физики газового электрического разряда. Компьютер- ные модели плазмы эффективны для получения достоверных данных о вну- тренних параметрах разрядных про- межутков и не имеют альтернативы в случаях, где необходимо учитывать множество элементарных процессов и их 2D- или 3D-геометрию [14]. Физи- ко-математические численные модели процессов в плазменных средах, реа- лизующие метод последовательных приближений (итераций) для параме- тров нелокальной плазмы, как правило, содержат набор трудно поддающихся как теоретическим, так и прямым экс- периментальным оценкам внутрен- них физических параметров плазмы. В связи с этим они зачастуюоказывают- ся работоспособными лишь в ходе сопо- ставления расчётных параметров с экс- периментальными электрическими и оптическими параметрами импульсно- го электрического разряда в инертном газе [15]. Это сопоставление существен- но зависит от количества внутренних физических параметров, с цельюопре- деления которых была выполнена настоящая работа. Главная задача рабо- ты– создание физико-математических моделей работы импульсной ксеноно- вой лампы на базе системы уравнений и их оптимизации в ходе сопоставления результатов расчётов с эксперименталь- но измеренными данными. Устройство и принципы функционирования экспериментальной установки Для выполнения экспериментальной части исследования была разработана и собрана электрическая схемаформиро- вания импульсов электрической мощ- ности, поступающих в лампу. Для этой электрической схемыхарактерна после- довательная регулировка во времени и раздельная регулировка по амплитуде и длительности импульсов электриче- скоймощности, поступающих в ксено- новуюлампу на всех стадияхформиро- вания электрического разряда в ксеноне: формирования стримера, горения плаз- менного канала псевдодежурной дуги, расширения неравновесного плазмен- ного канала, увеличения, уменьшения или поддержания температуры равно-