HIGANYMENTES DBD FÉNYFORRÁSOK FEJLESZTÉSE. Beleznai Szabolcs. Témevezet : Dr. Richter Péter TÉZISFÜZET

Átírás

1 HIGANYMENTES DBD FÉNYFORRÁSOK FEJLESZTÉSE TÉZISFÜZET Beleznai Szabolcs Témevezet : Dr. Richter Péter Konzulens: Balázs László Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem 2009

2 A kutatás el zménye A napjainkban egyre szigorodó környezetvédelmi elvárások a fényforrás iparban is jelent s következményekkel járnak. A Hg mint a környezetünkre rendkívül káros anyag felhasználásának csökkentésére irányuló törekvések elkerülhetetlenül szükségessé teszik higany-mentes fényforrások kifejlesztését. Napjainkban használt fényforrások zöme azonban továbbra is higanytartalmúak. Ennek legf bb oka az, hogy ezek hatásfoka az esetek többségében lényegesen nagyobb, mint a higanymentes termékeké. A mai tudományos elképzelések szerint a higany egyik lehetséges helyettesít i a nemesgázok lehetnek. A probléma feloldására a kutatók az elmúlt évtizedben komoly er feszítéseket tettek, és ennek eredményeképpen született potenciális megoldások egyike a Xenon alapú Dielectric Barrier Discharge kisülés (ezután DBD) alkalmazása világítástechnikai célokra. A Xe DBD fényforrások számos el nnyel rendelkeznek a konvencionális fényforrásokkal szemben, higanymentesek, egyszer felépítés ek és méreteikben könnyen skálázhatóak. A Xe DBD-k legf bb hátránya eddig az alacsony hatásfok volt. Azonban a kutatások szerint jól definiált gerjesztés hatására, rövid feszültség impulzusokkal a kisülés hatásfoka 60% fölé növelhet. Ezen kutatási eredmények DBD fényforrások el tt számos potenciális felhasználási területet nyitnak meg, így a magas hatásfoknak köszönhet en a DBD fényforrások világítástechnikai célból való felhasználásának kutatása is el térbe került.

3 Célkit zések A Phd disszertációban leírt munka célja (1) egyrészt összefoglalni a DBD technológia részletes elméleti és kísérleti hátterét a fény konverzió és optimalizáció szempontjából (2) valamint tudományos szempontból megvizsgálni hogyan lehet a DBD excimer fényforrás hatásfokát megnövelni. A munka részletes leírást ad Xe gázplazmában lezajlódó alapvet fizikai folyamatokról, egy összetett, folyadékdinamikán alapuló számítógépes szimuláció segítségével. Az optimalizáció magában foglalja a fényforrás optimális paramétereinek meghatározását annak érdekében, hogy magas fényhasznosítás és bemen teljesítménys ség értékeket érjünk el. A munka összehasonlítást ad a különböz gerjeszt feszültség jelalakok használatának el nyeir l és hátrányairól a fluoreszcens DBD fényforrások fejlesztésének szempontjából. A bemutatott kutatási eredmények a Xe DBD gázkisülés hatásfokának és becsatolt teljesítménys ségének jelent s javulását eredményezik. Ezen eredmények alapot teremtenek egy nagyhatásfokú, kompakt fluoreszcens DBD fényforrás kifejlesztéséhez. Az eredményeket 3 tézispontban foglaltam össze.

4 Új tudományos eredmények 1. Megalkottam egy Xe fluoreszcens DBD fényforrás számítógépes szimulációját. A szimuláció a Xe gázplazma egydimenziós folyadékdinamikai modelljén alapszik. Részletes reakció-kinetikai leírását tartalmazza a plazmában lezajlódó kémiai folyamatoknak, valamint magában foglalja a fénypor fénykonverziós modelljét. A szimuláció segítségével a plazmában lezajlódó összes lényeges fizikai folyamat megvizsgálható, valamint a fénykonverziós számolásokon keresztül lehet vé teszi egy fluoreszcens DBD fényforrás optimalizációját és továbbfejlesztését. A modell részletes leírást ad a becsatolt elektromos teljesítmény sugárzássá valamint veszteségekké való átalakulásáról, ezáltal karakterisztikus hullámhosszakra vett részleges kisülési hatásfokok számolása végezhet el. Részletesen összevetettem a számolt és mért fény-emissziós, elektromos és spektrális tulajdonságait egy kísérleti Xe DBD fluoreszcens fényforrásnak. A fényforrás számolt hatásfokának és fényhasznosításának pontos meghatározása és ellen rzése újdonságot képvisel a korábbi irodalomban közölt DBD fényforrások vizsgálataihoz képest. Gyors felfutású, rövid (~ 600 ns hosszúságú) unipoláris impulzus gerjeszt jelalak felhasználásával 56% kisülési hatásfokot jeleztem el re a szimuláció segítségével. A fényforrás hatékony m ködését kísérletileg is igazoltam, a mérések szerint a fényforrás 50% kisülési hatásfokkal és 62 lmw -1 fényhasznosítással rendelkezik. (a lmw -1 érték zöld LAPO4:CeTb fénypor használata esetén értend ) A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: [1], [6], [7]

5 2. Az unipoláris impulzus gerjeszt impulzus-jelalak hosszának csökkentése által (~ 200 ns) az els tézispontban bemutatott fényforrás m ködését optimalizáltam, hatásfokát jelent sen megnöveltem a 100 mbar-tól 300 mbar-ig terjed nyomástartományban. A számolások szerint a jelalak hatására a betáplált elektromos energia legnagyobb része a 172 nm es sugárzást kibocsátó Xe 2 * excimer molekulák létrehozására fordítódik, míg más veszteséget okozó folyamatok (ion f tés, e-xe rugalmas ütközés) alacsony szinten maradnak. A teljes UV hatásfok a nyomás növekedésével és az impulzushossz csökkentésével monotonon n. Az irodalomban publikált legmagasabb Xe 2 excimer DBD kisülési hatásfokot (~ 67% a szimuláció és ~ 62% a mérés szerint) demonstráltam, valamint kísérletileg elértem a 80 lmw -1 fényhasznosítást 890 mw/cm 3 bemen elektromos teljesítménys ség esetén. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: [2], [5] 3. Annak érdekében, hogy a hatásfok megtartása mellett a kisülésbe csatolt elektromos teljesítményt megnöveljem, egy új, nagyfrekvenciás amplitudó modulált szinuszos gerjeszt jelalak (burst jelalak) használatát javasoltam a Xe DBD kisülés hatékony meghajtására. Megmutattam, hogy a burst jelalak használatával az impulzus üzem meghajtáshoz képest a rendszer hatékonysága tovább növelhet : segítségével majdnem kétszeres betáplált teljesítménynövekedés és UV fényáram érhet el az impulzus-jelalakhoz képest, miközben a kisülés hatásfoka magas szinten marad. Igazoltam a kisülési UV hatásfokok monoton növekedését a nyomás növelésével egészen 250 mbar nyomásig. 61.4% elméleti és 58% kísérleti hatásfokot értem el, amely 74 lmw -1 fényhasznosításnak felelt meg 1520 mw/cm 3 betáplált elektromos teljesítménys ség esetén. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: [3], [4]

6 Publikációk [1] Sz Beleznai, G Mihajlik, A Agod, I Maros, R Juhasz, Zs Nemeth, L Jakab, P Richter: High-efficiency dielectric barrier Xe discharge lamp: theoretical and experimental investigations, J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) [2] Sz Beleznai, G Mihajlik, I Maros, L Balázs, P Richter: Short-pulse excited fluorescent Xe dielectric barrier light source, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) (6pp) [3] Sz Beleznai, G Mihajlik, I Maros, L Balázs, P Richter: High frequency excitation waveform for efficient operation of a xenon excimer dielectric barrier discharge lamp, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) (9pp) [4] Sz. Beleznai, L. Balázs, P. Richter: New Modulated Driving Signal for Efficient Excitation of DBD Discharges, HAKONE XI International Symposium on High Presssure Low Temperature Plasma Chemistry, Oleron Isl. France Sep , Article 5-4 [5] Sz Beleznai, P Richter, L Balázs, Higanymentes fényforrások fejlesztése, Kvantumelektronika 2008, 6th National Symposium on Quantum Electronics, 17. October 2008, Budapest, Hungary; Eds: Péter Á, Kiss T, Varró S, 2008, P-01 [6] L Bánkuti, L Reich, Sz Beleznai: Dielectric barrier discharge lamp, CN (A), 2006 [7] L Reich, Sz Beleznai, A Agod, L Jakab, P Richter: Dielectric Barrier Discharge Lamp with Electrodes in Hexagonal Arrangement, European Patent EP , 2009