汞光谱灯热结构设计和热分析
2020-05-19朱纪扉杜晨苏友裕胡鹏达邵辉丽
朱纪扉 杜晨 苏友裕 胡鹏达 邵辉丽
摘 要：高频无极汞灯是汞离子微波频标系统的重要组成部分，而由于射频加热作用，光谱灯处于过热工作状态，直接影响194.2 nm光谱线的强度和稳定性，最终影响整机输出频率信号性能。因此，光谱灯散热结构设计和热分析是汞离子微波频标的一项重要内容。本设计以铝合金灯罩作为散热基座，试验表明，灯罩能明显改善光谱灯的散热性能，使光谱灯温度接近工作点温度。同时，利用热仿真软件Flotherm对光谱灯进行热力学仿真分析，仿真结果跟试验数据基本吻合。
关键词：汞光谱灯;散热;热结构
中图分类号：TM935文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0079-03
Thermal Structure Design and Thermal Analysis of Mercury Spectral Lamps
Zhu Jifei Du Chen Su Youyu Hu Pengda Shao Huili
（School of Mathematics， Physics and Statistics， Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620）
Abstract： High frequency electrodeless mercury lamp is an important part of the mercury ion microwave frequency standard system， due to the RF heating effect， the spectrum lamp is in an overheating working state， which directly affects the intensity and stability of the 194.2 nm spectral line， and ultimately affects the performance of the output frequency signal of the whole machine. Therefore， the design of the heat dissipation structure and thermal analysis of the spectral lamp is an important content of the mercury ion microwave frequency standard. This design used aluminum alloy lampshade as the heat dissipation base， tests showed that the lampshade could significantly improve the heat dissipation performance of the spectrum lamp， and make the temperature of the spectrum lamp close to the operating point temperature. At the same time， the thermal simulation software Flotherm was used to perform thermodynamic simulation analysis on the spectrum lamp， and the simulation results were basically consistent with the experimental data.
Keywords： mercury spectrum lamp;heat dissipation;thermal structure
高频无极汞灯作为汞离子微波频标系统的泵浦源，用以产生194.2 nm的谱线以激发跃迁。研究表明，光谱线强度和谱线稳定性与汞光谱灯温度有关，汞光譜灯在65 ℃左右工作时发出的194.2 nm谱线的光强最大，此时汞光谱灯处于最佳温度工作点[1]。射频振荡电路通过耦合线圈激励汞灯光源发光，工作时会对汞光谱光灯产生射频加热作用。在散热条件不顺畅的情况下，灯体的温度很快会超过最佳工作温度点，处于过热状态，直接影响汞光谱灯的发光强度，最终限制频标的稳定度[2]。因此，汞光谱灯散热处理是汞离子频标研制中的一项重要内容。
1 汞光谱灯散热结构设计和热分析
1.1 散热铝合金灯罩设计
汞光谱灯具体结构如图1所示，其由灯泡、线圈、汞灯冷端、铝合金散热灯罩组成。汞灯泡发出的热量通过热传导从铝合金灯罩内壁传到外壁，为了减小接触热阻，灯体和铝合金散热罩之间用延展性好、热阻小的薄层铟填满，从而可以将汞灯泡体产生的热量迅速导出。汞灯尾部设置成冷端，冷端埋于漏斗状的铝合金灯罩中，形成足够的饱和蒸气压后，冷端能使多余的汞金属凝结在冷端泡壁上，有利于灯的稳定[3]。铝合金灯罩外壁的热量通过空气对流传热到周围空气。最终目标使汞光谱灯温度控制在65℃附近。
1.2 热传导理论分析
热传递是从温度高的物体传向温度低的物体，或者是从物体的高温部分传向低温部分的过程。热传递途径主要有三种，即热传导、热辐射、热对流[4]。汞灯散热的主要方式为热传导和热对流。固体中金属是最好的导热体，汞谱灯发出的热量经由铟薄层全部散到铝合金散热灯罩中。
铝合金导热系数[λ=240W/（m·K）]，铝合金灯罩为圆柱体，内径[r1]=5 mm，外径[r2]=5.5 mm，长度[l]=0.013 m，圆筒壁热传导传热面积[Α=2πrl]，其内外表面温度分别维持均匀恒定的温度[t1]和[t1]，如果采用圆柱坐标系，该问题就成为沿半径方向的一维导热问题。
根据傅里叶定律可得：
对式（1）进行积分，可得：
[Φ=2πl（t1-t2）1λ1nr1r2] （2）
由于铟薄层的存在，该问题可近似处理成两层圆筒壁的导热（假设层间接触良好），则式（2）可以转化为：
[Φ=2πl（t1-t2）1nr1r2/λ1+1nr3r4/λ2] （3）
铝合金导热系数[λ1]=200 W/（m·K），铟导热系数[λ2]=90 W/（m·K），相应的边界条件为：[r1]=5 mm，[r2]=5.5 mm，[r3]=20 mm，[t1]=65 ℃，[t2]=30 ℃。根据灯罩尺寸和试验参数，求出[Φ]=380 W，汞光谱灯供电电源电压为22.7 V，电流为0.37 A，直流功耗为8.4 W，由于灯泡前半段绕射频线圈，所以金属罩有效散热部分集中在灯泡后半段，假设功耗为2 W。传热理论计算的结果显示，该灯罩的散热能力远远超过2 W的功耗，即灯罩体积过大，根据热传导理论，金属散热罩的厚度并非越大越好，后续应确定合理的壁厚，使其热阻更小，散热能力增强。汞光谱灯不加散热灯罩，在没有散热措施时，汞光谱灯温度测量结果如表1所示。
从表1可以看出，灯泡工作后，由于射频线圈的加热作用，如果没有任何散热通道，则灯体的温度随着时间持续增长，处于过热状态。而配备铝合金灯罩后，灯泡在同样的工作条件下（22.7 V，0.37 A）下，工作持续20 min后，整个系统处于热平衡状态，测量灯泡温度为[7]0 ℃左右，试验表明，加散热灯罩能够明显提高汞光谱灯的散热性能，使汞光谱灯温度降到工作点温度附近。
2 汞光谱灯散热仿真
为了验证金属散热罩的散热性能，笔者使用热仿真软件Flotherm对整个散热结构进行了建模（见图2）并对光谱灯中的温度场分布进行了仿真，希望根据仿真结果对散热灯罩结构进行优化，使其散热性能进一步提升。为了降低运算难度，便于网格的建立，使仿真试验结果更易收敛，本文基于有限体积元法将灯泡与金属铟薄层由圆柱体离散为长方体。灯泡管壁为热源，热源功率为2 W。铟层厚度为1 mm，导热系数为80 W/（m·K）。铝合金灯罩导热系数为240 W/（m·K）。环境温度设为30 ℃，空气在自然对流情况下的表面传热系数为15 W/（m2·K）。求得的稳态仿真结果如图3所示，仿真结果与试验结果基本吻合。
3 结论
热结构设计对汞光谱灯至关重要，它会影响汞光谱灯的工作稳定性，最终影响整机输出频率信号性能。目前设计的铝合金散热罩能有效提高汞光谱灯的散热性能，使汞光谱灯温度降低，接近工作點温度。笔者通过热传导理论计算了散热装置的散热能力，计算结果表明，该散热灯罩的散热能力远远超过汞光谱灯2 W的功耗，为后期散热金属罩体积小型化指明了方向。同时，笔者采用热分析软件对散热装置进行了仿真，仿真结果基本和试验结果吻合。
参考文献：
[1]Gita Revalde，Atis Skudra.Optimization of mercury vapour pressure for high-frequency electrodeless light sources[J].Journal of Applied physics，1998（31）：3343-3348.
[2]Yi L.Mercury lamp studies in support of trapped ion frequency standards[C]//IEEE International Frequency Control Symposium & the European Frequency & Time Forum.2015.
[3]佘磊.双曲面型Paul阱中Hg离子微波频标实验进展[D].武汉：中国科学院武汉物理与数学研究所，2008.
[4]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.
