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22.10.2002 Seminar bei Philips 1
Nonlinear surface heating of cathodes
Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher
UNI Hannover
22.10.2002 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”
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Kathode Anode
Groot&v.Vliet 1986
22.10.2002 Seminar bei Philips 4
Waymouth, 1982
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konkurrierend (stationär)
plötzlich
gut oder schlecht ?
Ar
4.5 bar
2.5 A DC Mentel 1998
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Ziel
Simulationswerkzeug für den Wärmehaushalt der Elektroden unter Berücksichtigung von Modenwechseln, um Geometrie und Stromform zu verbessern.
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„nonlinear surface heating“
Bogenlast durch integrale Randbedingung
nur Kathodenkörper muss berechnet werden
selbstkonsistenter Stromansatz kann Modenwechsel!
Bötticher&Bötticher 2000
If Joule heat of presheath is negligible for cathode heating Vc instead of U can be used
Bade&Yos 1962
If Joule heat of the presheath is negligible for cathode heating Vc can be used for U
Bade&Yos 1962
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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 SchichtspannungTielemans&Oostvogels 1983
Benilov&Cunha 2002
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Animationen von 3D-Simulationen
Geometrie: 13.2 mm x 1 mm Parameter: W (4.55 eV, =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
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Achtung: alle Animationen haben eine stark verzerrte Zeitskala, um die Spotbildung zu zeigen!
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Topic One
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E. Fischer, 1987
Philips Journal of Research
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Gemessene Lampenspannung und simulierte Freifallspanung
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gemessene Lichtintensität vor der Kathode und simuliertes Tmax
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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
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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
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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
22.10.2002 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 !