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22.10.2002Seminar bei Philips1 Nonlinear surface heating of cathodes Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher UNI Hannover.

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1 Seminar bei Philips1 Nonlinear surface heating of cathodes Dr.-Ing. Dipl.-Math. Rudolf Bötticher UNI Hannover

2 Seminar bei Philips2 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

3 Seminar bei Philips3 Kathode Anode Groot&v.Vliet 1986

4 Seminar bei Philips4 Waymouth, 1982

5 Seminar bei Philips5 konkurrierend (stationär) plötzlich gut oder schlecht ? Ar 4.5 bar 2.5 A DC Mentel 1998

6 Seminar bei Philips6 Ziel Simulationswerkzeug für den Wärmehaushalt der Elektroden unter Berücksichtigung von Modenwechseln, um Geometrie und Stromform zu verbessern.

7 Seminar bei Philips7 nonlinear surface heating Bogenlast durch integrale Randbedingung nur Kathodenkörper muss berechnet werden selbstkonsistenter Stromansatz kann Modenwechsel! Bötticher&Bötticher 2000

8 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 V c can be used for U Bade&Yos 1962

9 Seminar bei Philips9 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

10 Seminar bei Philips10 Animationen von 3D-Simulationen Geometrie: 13.2 mm x 1 mm Parameter: W (4.55 eV, =0.095), 0.2 MPa Argon, T sup =1000 K Methode: transiente 3D-Simulation der Kathode (J.Phys.D, 2001, ) aus dem stationären diffusen Mode für 0.4 A springt der Strom auf 2.0 A

11 Seminar bei Philips11

12 Seminar bei Philips12 Achtung: alle Animationen haben eine stark verzerrte Zeitskala, um die Spotbildung zu zeigen!

13 Seminar bei Philips13 Topic One

14 Seminar bei Philips14 E. Fischer, 1987 Philips Journal of Research

15 Seminar bei Philips15

16 Seminar bei Philips16 Gemessene Lampenspannung und simulierte Freifallspanung

17 Seminar bei Philips17 gemessene Lichtintensität vor der Kathode und simuliertes T max

18 Seminar bei Philips18 Excess power of the ionisation layer p exc =j em V c -j ion V ion P exc is surface-integral of p exc P exc estimates the power that leaves the near cathode layer into the bulk plasma and can be spent in the discharge Neumann,1987 Neumann,1987

19 Seminar bei Philips19

20 Seminar bei Philips20

21 Seminar bei Philips21

22 Seminar bei Philips22 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

23 Seminar bei Philips23 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

24 Seminar bei Philips24 Fazit Nonlinear surface heating ist derzeit die einzige Methode, die diffuse, spot und super-spot mode an der Kathode selbstkonsistent simuliert !


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