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Nonlinear surface heating of cathodes

Nonlinear surface heating of cathodes. Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher UNI Hannover. Einführung. FEM-Berechnungen Seit 1997 in den BMBF Verbünden

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Presentation Transcript

  1. Nonlinear surface heating of cathodes Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher UNI Hannover Seminar bei Philips

  2. Einführung • FEM-Berechnungen • Seit 1997 in den BMBF Verbünden “Grundlegende Charakterisierung von Elektroden für zeitveränderliche Energieeinkoppelung in umweltfreundliche Hochdrucklampen” “Grundlagenuntersuchungen der Eigenschaften thermisch emittierender Kathoden für Plasmalampen” Seminar bei Philips

  3. Kathode Anode Groot&v.Vliet 1986 Seminar bei Philips

  4. Waymouth, 1982 Seminar bei Philips

  5. konkurrierend (stationär) plötzlich gut oder schlecht ? Ar 4.5 bar 2.5 A DC Seminar bei Philips Mentel 1998

  6. Ziel • Simulationswerkzeug für den Wärmehaushalt der Elektroden unter Berücksichtigung von Modenwechseln, um Geometrie und Stromform zu verbessern. Seminar bei Philips

  7. „nonlinear surface heating“ • Bogenlast durch integrale Randbedingung • nur Kathodenkörper muss berechnet werden • selbstkonsistenter Stromansatz • kann Modenwechsel! Bötticher&Bötticher 2000 Seminar bei Philips

  8. If Joule heat of the presheath is negligible for cathode heating Vc can be used for U Bade&Yos 1962 If Joule heat of presheath is negligible for cathode heating Vc instead of U can be used Bade&Yos 1962

  9. Elemente von q • Raumladungszone (Vc) • Ionenstrom unvermeidlich • Ionenstrom nach oben begrenzt • abfliessende Ionisierungsenergie wird durch kinetische Energie der emittierten Elektronen aufgebracht (Näherung jion Vion = jem Vc) => realistische Schichtspannung Tielemans&Oostvogels 1983 Benilov&Cunha 2002 Seminar bei Philips

  10. Animationen von 3D-Simulationen • Geometrie: 13.2 mm x 1 mm • Parameter: W (4.55 eV, g=0.095), 0.2 MPa Argon, Tsup=1000 K • Methode: transiente 3D-Simulation der Kathode (J.Phys.D, 2001, 1110-1115) • aus dem stationären diffusen Mode für 0.4 A springt der Strom auf 2.0 A Seminar bei Philips

  11. Seminar bei Philips

  12. Achtung: alle Animationen haben eine stark verzerrte Zeitskala, um die Spotbildung zu zeigen! Seminar bei Philips

  13. Topic One Seminar bei Philips

  14. E. Fischer, 1987 Philips Journal of Research Seminar bei Philips

  15. Seminar bei Philips

  16. Gemessene Lampenspannung und simulierte Freifallspanung Seminar bei Philips

  17. gemessene Lichtintensität vor der Kathode und simuliertes Tmax Seminar bei Philips

  18. Excess power of the ionisation layer • pexc=jemVc-jionVion • Pexc is surface-integral of pexc • Pexc estimates the power that leaves the near cathode layer into the bulk plasma and can be spent in the discharge Neumann,1987 Seminar bei Philips

  19. Seminar bei Philips

  20. Seminar bei Philips

  21. Seminar bei Philips

  22. Nachteile der Methode • Nicht auf Anode übertragbar. Verteilung der Wärmeflussdichte auf der Oberfläche muss für die Anodenphase geschätzt werden. • Für geringere Austrittsarbeit schlechter. Flesch&Neiger 2002 Seminar bei Philips

  23. Notwendige Fachkenntnisse • User-Programmierung kommerzieller FEM • Zeitschrittsteuerung • Erstellung effektiver 3D-Netze: nahe des dynamischen Spotrandes genügend kleine Elemente mit gutem “aspect ratio” bei sparsamer Zahl der DOFs Seminar bei Philips

  24. Fazit • “Nonlinear surface heating” ist derzeit die einzige Methode, die diffuse, spot und super-spot mode an der Kathode selbstkonsistent simuliert ! Seminar bei Philips

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