高密度・低温の誘導結合プラズマを利用した大面積平面型無水銀光源の開発とモデリング

使用高密度、低温电感耦合等离子体开发和建模大面积平面无汞光源

基本信息

批准号：
02F02349
负责人：
神野雅文
金额：
$ 0.19万
依托单位：
Ehime University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までに、通常の水銀蛍光ランプ用に構築した衝突輻射モデルを本研究課題で取り扱う誘導結合プラズマに適用し、米オスラム社の誘導結合型ランプのモデリングを行い、実験結果と計算結果の定性的な一致を得た。定量的な議論のためには、電子エネルギー分布関数の計算が必要であることが分かった。また、キセノンの直流放電のモデリングにより、放電の収縮が、ガス温度の上昇やイオン化が中央部に集中して起こり、電子とイオンの拡散と再結合のバランスが崩れることにより起こることが分かった。今年度はこれらの結果を踏まえ、まずボルツマン方程式を解くことにより電子エネルギー分布関数を求め、その結果を衝突輻射モデルで使用し、モデリングを行った。通常の水銀蛍光ランプのモデルで検証を行った結果、計算精度が向上し定量的な議論が行えるようになり、管壁温度など外部パラメータの変化によるプラズマの発光特性等の変化を適切に予想できるようになった。ただし、ボルツマン方程式を解くためには非常に長い計算時間を要するため、マクスウェル分布を元にし、封入ガスの主要なエネルギー準位が電子エネルギー分布関数に与える影響を考慮した、3電子群モデルによる分布関数とLagushenko-Mayaの分布関数の本モデルへの適用を試みた。その結果、これらの近似的な電子エネルギー分布関数を用いてもおおむね正確な計算結果が得られること、外部パラメータの値によって2つの分布関数を使い分ける必要があることを見出した。誘導結合プラズマでは電子エネルギー分布関数のマクスウェル分布からのずれが大きいことが一般に知られているため、上記で開発したモデルを誘導結合プラズマに適用することにより、さらに計算精度の向上を図ることができると思われる。また、前年度までの直流0次元モデルを拡張して1次元モデルとし、空間的分布を扱えるように改善した。さらに時間的な変化を扱えるようにし、パルス放電のモデリングを行った。キセノンのバリア放電のモデル化により、真空紫外放射特性や準安定原子密度の生成特性の計算結果が実験値とよく一致することを見出した。準安定原子は蛍光体ランプの蛍光体を励起する紫外放射や、放電の収縮の一因となる多段階電離に直接寄与するため、この生成機構を正確に計算することは重要であり、また、実験的な測定が困難な他の励起準位にある原子密度変化を同時に計算することによりより総合的なプラズマ特性の理解が可能になる。これらの結果を元にしてキセノンによる無水銀平面光源の試作を行い、白色発光を確認した。今後の特性改善のためにも上記のモデルによるあらゆる条件におけるランプ特性の正確な把握が不可欠である。

去年，我们将普通汞荧光灯建立的撞击辐射模型应用于本研究项目中处理的电感耦合等离子体，对美国欧司朗制造的电感耦合灯进行建模，并对实验和计算的定性结果进行了评估。达成了协议。事实证明，为了进行定量讨论，需要计算电子能量分布函数。此外，氙直流放电的建模表明，当气体温度升高且电离集中在中心时，会发生放电收缩，从而破坏电子和离子扩散与复合之间的平衡。今年，基于这些结果，我们首先通过求解玻尔兹曼方程确定了电子能量分布函数，并将结果用于碰撞辐射模型中进行建模。使用普通汞荧光灯的模型进行验证的结果是，计算精度得到提高，并且可以进行定量讨论，使得可以适当地预测由于管壁温度等外部参数的变化而导致的等离子体发射特性的变化。就变成这样了。但求解玻尔兹曼方程需要很长的计算时间，因此分布采用三电子群模型，该模型以麦克斯韦分布为基础，并考虑了填充气体的主要能级对电子的影响我们尝试将 Lagushenko-Maya 分布函数应用于该模型。结果，我们发现使用这些近似的电子能量分布函数一般都能得到准确的计算结果，并且需要根据外部参数的值使用两个分布函数。众所周知，在电感耦合等离子体中，电子能量分布函数与麦克斯韦分布的偏差较大，因此通过将上述开发的模型应用到电感耦合等离子体中，计算精度似乎可以进一步提高。此外，将前一年使用的0维直流模型扩展到一维模型，并改进以处理空间分布。此外，我们还可以处理时间变化和模拟脉冲放电。通过对氙的势垒放电进行建模，发现真空紫外辐射特性和亚稳态原子密度产生特性的计算结果与实验值吻合较好。由于亚稳态原子直接促成激发荧光灯中荧光粉的紫外线辐射以及有助于放电收缩的多级电离，因此准确计算这种生成机制非常重要，并同时计算其他激发能级下原子密度的变化，这难以通过实验测量，可以更全面地了解等离子体特性。基于这些结果，我们使用氙气制作了无汞平面光源原型，并确认了白光发射。为了改善未来的特性，有必要使用上述模型准确地了解所有条件下的灯特性。