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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 1
Nonlinear surface heating of cathodes
Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher
UNI Hannover
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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
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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
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Fazit
“Nonlinear surface heating” ist derzeit die einzige Methode, die diffuse, spot und super-spot mode an der Kathode selbstkonsistent simuliert !
