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22.10.2002 Seminar bei Philips 1
Nonlinear surface heating of cathodes
Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher
UNI Hannover
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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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22.10.2002 Seminar bei Philips 3
Kathode Anode
Groot&v.Vliet 1986
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22.10.2002 Seminar bei Philips 4
Waymouth, 1982
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22.10.2002 Seminar bei Philips 5
konkurrierend (stationär)
plötzlich
gut oder schlecht ?
Ar
4.5 bar
2.5 A DC Mentel 1998
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22.10.2002 Seminar bei Philips 6
Ziel
Simulationswerkzeug für den Wärmehaushalt der Elektroden unter Berücksichtigung von Modenwechseln, um Geometrie und Stromform zu verbessern.
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22.10.2002 Seminar bei Philips 7
„nonlinear surface heating“
Bogenlast durch integrale Randbedingung
nur Kathodenkörper muss berechnet werden
selbstkonsistenter Stromansatz kann Modenwechsel!
Bötticher&Bötticher 2000
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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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22.10.2002 Seminar bei Philips 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 SchichtspannungTielemans&Oostvogels 1983
Benilov&Cunha 2002
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22.10.2002 Seminar bei Philips 10
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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22.10.2002 Seminar bei Philips 11
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22.10.2002 Seminar bei Philips 12
Achtung: alle Animationen haben eine stark verzerrte Zeitskala, um die Spotbildung zu zeigen!
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22.10.2002 Seminar bei Philips 13
Topic One
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22.10.2002 Seminar bei Philips 14
E. Fischer, 1987
Philips Journal of Research
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22.10.2002 Seminar bei Philips 15
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22.10.2002 Seminar bei Philips 16
Gemessene Lampenspannung und simulierte Freifallspanung
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22.10.2002 Seminar bei Philips 17
gemessene Lichtintensität vor der Kathode und simuliertes Tmax
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22.10.2002 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
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22.10.2002 Seminar bei Philips 19
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22.10.2002 Seminar bei Philips 20
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22.10.2002 Seminar bei Philips 21
![Page 22: 22.10.2002Seminar bei Philips1 Nonlinear surface heating of cathodes Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher UNI Hannover](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022051819/55204d6149795902118b45fb/html5/thumbnails/22.jpg)
22.10.2002 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
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22.10.2002 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
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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 !