Elektródanélküli fényforrások számítógépes modellezése

Agod Attila
V. évfolyam, mérnök-fizikus szak

Témavezető: Dr. Báder Attila, GE Hungary Rt., Dr. Hárs György, Atomfizika Tanszék

	Az elektródanélküli lámpák előnyei a hagyományos fénycsövekkel szemben, hogy szélesebb tartományban változtatható a fényintenzitásuk, a lámpatestek alakjára nincsenek szoros megkötések, gyorsabban gyújtanak be, valamint az elektróda-veszteségek értelemszerűen nem jelennek meg. A fénycsövek meghibásodásának leggyakoribb oka az elektródák fokozatos elhasználódása. Az elektronemissziót segítő aktív anyag üzem közben párolog, emittáló képessége romlik, ami a cső fényáramának csökkenésében nyilvánul meg. Belső elektródok használata nélkül ezek a veszteségek nem lépnek fel, a lámpa élettartamának a fénypor öregedése és az elektronika elhasználódása szab határt.

A GE Lighting 1994-ben mutatta be Genura nevű termékét, amely az R80 típusú izzószálas reflektorlámpa energiatakaré-kosabb és hosszabb életű vetélytársa lett. A lámpa fényét kisnyomású higanykisülés adja, amit egy nagyfrekvenciás váltófeszültséggel hajtott tekercs által generált örvényes elekt-romos mező tart fenn. Dolgozatomban a kisülőtér fizikai folyamatainak számítógépes szimulációját prezentálom, és mutatok rá tendenciákra, melyek a lámpa tovább-fejlesztésekor hasznos információk lehetnek. Munkám során a lámpa különböző egydi-menziós modelljeit fejlesztettem ki. A program alkalmas gömb, gömbhéj, végtelen henger és végtelen koncentrikus hengerek ál-

tal bezárt térfogatban végbemenő kisülést szimulálni. A lámpa térfogatán belül a gerjesztett állapotú higanyatomok térbeli eloszlásának meghatározásával a kisülés további paraméterei származtathatók. Így adott felvett teljesítmény mellett, adott nemesgáz- és higanykoncentráció esetén meghatározható a lámpa elektron-hőmérséklete, az UV tartományba emittált teljesítménye, valamint összehasonlíthatók a különböző geometriájú lámpák hatásfoka. Célom, hogy rámutassak a lámpa hatásfokát lényegesen befolyásoló paraméterekre, valamint a szimuláció eredményeinek a kísérleti adatokkal való összevetéséből a lámpa működésének pontosabb megértését elősegítsem.

Halogén autólámpák fényeloszlásának modellezése

Bíró István
V.évfolyam, mérnök-fizikus szak

Témavezetõ: Dr. Torma Tamás, GE. Hungary Rt., Dr. Szarvas Gábor, Atomfizika Tanszék

	A járművek reflektorainak fényeloszlását közlekedésbiztonsági okokból nemzetközi szabályozások és szabványok írják elő. A fényeloszlást a lámpa-reflektor optikai viselkedése határozza meg. A fényeloszlásra komoly hatással vannak a lámpa belső geometriáját jellemző paraméterek, amelyek tűréstartományát szintén nemzetközi előírások rögzítik. Ezen paraméterek és a kivetített fényeloszlás közti kapcsolatok meghatározására a legegyszerűbb módszer a lámpa-reflektor rendszer sugárkövetéses optikai modellezése.
	Az én feladatom az Új Globális Kétfonalú Lámpa ( World Wide Double Filament ) esetében elvégezni a lámpa teljes tűréselemzését. A munka elvégzéséhez rendelkezésemre állt az ASAP nevű optikai szimulációs program, Rhinoceros nevű CAD program, a modellezni kívánt lámpák 3D-s CAD modellje. A tűréselemzés során a következő paramétereket vizsgáltam meg:

•	A mellékspirál x koordinátája
•	A mellékspirál y koordinátája
•	A mellékspirál z koordinátája
•	A mellékspirál átmérője
•	Az üvegbúra reflexiós tényezője

A kivetített fényeloszlásnál a levágási profil meredekségét, a nevezetes pontokhoz tartozó levágásélességet, valamint a töréspont helyzetét vizsgáltam. Kapott eredményeim a következők:

Az x irányú elmozdítás vizsgálata kimutatta, hogy a reflektorgyártó által kijelölt origóhoz képest érdemes a spirált 0,25 mm-el balra tolni az x tengely mentén. Az x irányú gyártási pontosságnál   0,25 mm-es tűrésmező választása az optimális. Az y irányú vizsgálat alapján az optimális tűrésmező intervallum az y=1 mm pozíció körüli  0,25 mm-es tartomány. A z irányú elmozdítás okozza a legjelentősebb változást, a gyártási pontosságnak ennél a paraméternél kell a legnagyobbnak lennie. A tűrésmező a z=-0,5 mm-es hely körüli  0,1 mm-es tartomány. Összefoglalva a spirál elmozdításával járó vizsgálatokat, sikerült megkeresni a kivetített fényeloszlás szempontjából optimális spirálpozíciót, és a hozzá tartozó tűrésmezőt. A spirál átmérőjének vizsgálata kimutatta, hogy a spirálátmérőt érdemes csökkenteni 0,1-0,2 mm-el. Az utolsó elemzéssel igazoltam a szellemkép-spirál létezését, majd megvizsgáltam a szellemkép-spirál intenzitásának a kivetített fényeloszlásra gyakorolt hatását: a reflexiós tényező minél kisebb, annál nagyobb lesz a levágásélesség.

Fénysûrûség-eloszlás mérése

Cserteg András
V. évfolyam, mérnök-fizikus szak

Témavezetõ: Gallai József GE Hungary Rt., Kocsányi László, Atomfizika Tanszék

A fénysûrûség-eloszlás, mint bemenõ paraméter, nagy jelentõséggel bír a fényforrás-fejlesztés és gyártás szempontjából. A világítótestekben található spirálok és kisülési ívek fénysûrûség-eloszlása különösen az autólámpa-fejlesztés számára fontos a modellezéshez és az elkészült prototípusok vizsgálatához. Az autólámpák késõbbi felhasználói, a reflektorgyártók is a fénysûrûség-adatok ismeretében kezdhetnek hozzá a tervezéshez, ami azért szükséges, mert például gépjármûvek fényszóróinál pontosan meghatározott, hogy milyen irányban mekkora fényenergiát kell kibocsátani.
A számítógépes modellezéseknél a fényforrások fejlesztõinek általában csak a spirál fénysûrûség-eloszlása, a reflektortervezõknek pedig az egész fényforrásé érdekes. Az egyes tervezõprogramokban a világítótest egyes felületeirõl a fénysûrûséggel arányosan indítanak sugarakat a különbözõ irányokban. Korábban a tervezéseknél pontszerûnek tekintették a fényforrást, vagy homogénnek vették az egész világító felület fénysûrûségét, de ilyen modellezéseknél a számolt és a mért megvilágítások erõsen eltérhettek egymástól. Mindez azt támasztja alá, hogy a modellezéseknél elkerülhetetlen a fényforrások fénysûrûség-eloszlásának pontos ismerete. Ennek hiányában a tervezés hatékonysága erõsen csökkenhet, megnyúlhatnak a ciklusidõk és növekedhetnek a költségek.

Munkám célkitûzése nagy fénysûrûségû, de kevéssé kiterjedt fényforrások fénysûrûség-eloszlásának minél pontosabb és reprodukálhatóbb meghatározása a GE Hungary Rt. Optikai Mérések Laboratóriumában rendelkezésre álló mûszerek segítségével. Feladatom továbbá a mérõrendszer automatizálása a mérési idõ lerövidítése és a mérések könnyebb kivitelezhetõsége érdekében. A mérési eredményeket olyan formátumba kell hozni, hogy a különbözõ optikai modellezõ programokba illesztésük minél egyszerûbb legyen.
A kitûzött célok érdekében megismerkedtem a fénysûrûség-mérés múltjával és jelenével, a fotometria elméleti alapjaival és a fénysûrûség mérésének elvi lehetõségeivel. Számításokat végeztem a különbözõ közelítések által okozott eltérések meghatározására, továbbá vizsgáltam a defókuszáltság mérésekre gyakorolt lehetséges hatásait is. A különbözõ mérési módszerek által szolgáltatott adatok és az elméleti alapok ismeretében próbáltam összeállítani az ideális mérõrendszert, és ezen rendszer paramétereinek optimalizálására törekedtem. Mindezek után javaslatot tettem a mérõrendszer kivitelezésére. Elvégzett munkámról és eredményeimrõl számol be a tanulmány.

Halogén izzólámpa modellezése

Mihálffy Tamás
V. évfolyam, mérnök-fizikus szak

Témavezető: Dr. Verhás József, Vegyészmérnöki Fizika Tanszék
Dr. Gránásy Péter Kísérleti Fizika Tanszék, Dr. Balázs László, GE Hungary Rt

Az izzólámpákat kezdetben kizárólag a paraméterek között hatványkitevős kapcsolatot teremtő empirikus képletek alapján tervezték. A számítógépek elterjedésével megjelentek olyan tervezőprogramok, melyek részletesebb fizikai modell alapján számoltak. Ezeknek elsősorban a teljesen új konstrukciók kifejlesztésénél, és a paramétertűrések becslésénél van jelentőségük. 
Az általam vizsgált programot duplaspirál tervezésére fejlesztették ki. Bemenete a búra, a gáz és a spirál paraméterei és a feszültség. Kimenete az energiaegyensúlyi spirálhőmérséklet, a felvett teljesítmény és a leadott fényteljesítmény. Adott bemeneti teljesítmény és fényteljesítmény értékekhez a program optimalizálni tud a spirálparaméterekre.
A TDK munkám során elvégzett feladatok:
•	A program fejlesztése
- grafikus kezelői felület kifejlesztése
- új funkciók beépítése 
szimpla és dupla spirál kezelése
kalibráció
érzékenységvizsgálat
- a fizikai modell fejlesztése 
a spiralizálás figyelembe vétele az ellenállásszámolásban
a spirálsugárzási tényező számítása a paraméterek pontos definíciója szerint
•	A programmal végzett számítások - tervezési feladat
- Legyártott lámpákra végzett számítások, és ezek eredményeinek összehasonlítása a mérésekkel - A program a 200 – 500 W-os lámpáknál használható eredményt adott. A kiszámolt bemenő teljesítmény 1- 4 %-kal a kimenő fényteljesítmény 10-20%-kal tér el a mért adatok középértékétől.
- A mérési adatok felhasználásával kalibráció felvétele a bemenő teljesítményre és a fényteljesítményre
- Konkrét lámpa spirálparamétereinek érzékenységvizsgálata a gyártási tűrések meghatározásához - A bemenő teljesítmény és a fényteljesítmény is jó közelítéssel lineáris az összes spirálparaméterre.

Katódhőmérséklet meghatározása kompakt fénycsövekben 

Schmidt Gábor
V évfolyam. Villamosmérnöki szak

Konzulens:  Cserteg István, GE Hungary Rt.,  Farkas Lajos, Nagyfeszültségû Technika és Berendezések Tanszék

Az izzólámpák után újabban a kompakt fénycsöveket is olyan világítási alkalmazásokban kívánják felhasználni, ahol lehetõség van a csövek kibocsátott fényáramának szabályozására. Ez kisülõ fényforrások esetében azonban jóval bonyolultabban megvalósítható, mint az izzólámpáknál. A fénycsövekben normál üzemben az ív melegíti a katódot, azt a termikus emisszióhoz szükséges optimális hõmérséklet környezetében tartja. Ha azonban a fényerõ szabályozás (dimmelés) során lecsökkentjük az íváramot, az ív nem melegíti kellõ mértékben a katódot, így abból nem lép ki elegendõ számú elektron, az ívkisülés parázsfény kisülésbe megy át, ami a katód porlódását okozza. Nagyobb mértékben csökkentve az íváramot, az ív ki is aludhat.
Az elõzõeknek megfelelõen a fényerõszabályzás során a katódot járulékos fûtõárammal kell fûteni, hogy hõmérséklete a csökkenõ íváram ellenére is állandó maradjon. A dimmelés elsõsorban különbözõ nagyfrekvenciás elektronikus elõtétek használatával valósítható meg, ennek módja a különbözõ elõtétek esetében azonban eltér egymástól, különösen a járulékos katódfûtést tekintve. Ez a fénycsöveknél élettartam problémát eredményezhet.
Az elmúlt félévben kidolgoztam egy módszert a különböző dimmelhető előtétek vizsgálatára. A módszer a kompenzációs elven alapul. A mérés során előtéttel, normál üzemben működtetjük a lámpát a stabil működés beálltáig. Stabil működés közben a katódhőmérséklet állandó értéket vesz fel. Ekkor kontaktorok segítségével átkapcsolunk egy külső egyenáramú katódfűtésre, az oszcilloszkóp a katód feszültségét méri. Ha a katódfeszültség nem változik, azt jelenti, hogy megtaláltuk az ideális DC áramot, amely ugyanakkora fűtőteljesítményt ad le a katódnak, mint az előtét használata során az ív, így a katód hőmérséklete a fentebb említett feltételek által megszabott optimális értéken marad. Az átkapcsolás pillanatában fennálló katódfeszültség és fűtőáram hányadosa megadja a katód melegellenállását.  A melegellenállás és a hidegellenállás hányadosából meghatározható a katód hőmérséklete. A mérést az itt leírtaknak megfelelően kell elvégezni a különböző dimmelési állapotokban is. Ha az előtét megfelelően működik, minden dimmelési állapotban azonos  állandósult hőmérsékletet alakít ki a katódon, tehát átkapcsolás után az normál üzemben kapott DC áramot alkalmazva a katódfeszültség (s így a katódhőmérséklet) nem fog változni.

A mérés lehetõvé teszi a GE Tungsram kompakt fénycsöveihez használható elektronikus elõtétek közül azok kiválasztását, amelyek a lámpáknak megfelelõ mûködést, széles tartományban való fényerõ szabályozást, illetve hosszú élettartamot biztosítanak, valamint a katódhõmérséklet ellenállásra visszavezetett indirekt mérését.

A KISÜLŐLÁMPÁK MŰKÖDÉSE SORÁN AZ ÉGŐTEST BELSŐ FELÜLETÉN JELENTKEZŐ SZENNYEZŐDÉSEK VIZSGÁLATA

Szarka Ildikó
V. évfolyam
Vegyészmérnöki Kar, anyagtudományi szak

Témavezetõk: Vargáné dr. Josepovits Katalin, Atomfizika Tanszék, Dr.Schneider János, GE Hungary Rt.

A nagynyomású nátrium kisülőlámpák (HPS) gyártása akkor vált lehetővé, mikor 35 évvel ezelőtt kifejlesztették a lámpa meghatározó fontosságú alkatrészét, a speciális kerámiából készült kisülési csövet.
A HPS lámpákban alkalmazott nagy hőmérsékletű, kémiailag agresszív nátriumgőz a kvarcot megtámadná. Ezért ma az Al2O3 kerámia az egyetlen olyan, nagy tömegben gazdaságosan előállítható, kellő szilárdsággal és fényáteresztő képességgel rendelkező anyag, amely képes arra, hogy a kisülőcső anyagául szolgáljon. Ez többnyire színterelt, polikristályos, áttetsző alumínium-oxid.
TDK dolgozatom feladata felderíteni a szennyező vegyületeket, melyek feketedést eredményeznek az égőtest belső felületén. Konkrét mintán mutatom be, hogy milyen felületanalitikai módszerekkel (XPS - Röntgen Fotoelektron Spektroszkópia, AES - Auger Elektron Spektroszkópia) lehet a nemkívánatos elemek kötésállapotait felderíteni, illetve mennyiségeit meghatározni.
A kerámia égőtestek gyártása a GE Tungsramban működő ún. H-boxban történik. Ez egy nagy térfogatú gyártóbox, melyben a tisztaságot az atmoszféránál nagyobb nyomású argon gáz biztosítja. A minta-előkészítéstől a minta szállításán át az utolsó lépésig - az BME Atomfizika Tanszéken lévő komplex XPS - Auger berendezésbe történő mintaelhelyezésig - szintén szükséges az argon jelenléte. Dolgozatomban részletesen kitérek ennek a problémának a megoldására.
A másik gondot a kiértékelés, ezen belül is ennek a mennyiségi része jelenti. Az XPS és AES módszerek lehetőséget nyújtanak kvantitatív és kvalitatív elemzésre. A kiértékelés során használt érzékenységi faktorok - melyek irodalmi adatok - az AES esetében az elemek kötésállapotán kívül a mérőberendezés paramétereitől is függenek. Az XPS mennyiségi elemzés során ez nem jelent gondot, így az itt kapott eredményeket felhasználom az AES mérések kiértékelésére.
A későbbiekben olyan mintasorozatot szeretnék felületanalitikai módszerekkel megvizsgálni, amely különböző ideig égetett fényforrásokból áll.

Akusztikus rezonancia vizsgálata

Vágvölgyi Attila
V. évfolyam, VIK villamosmérnöki szak
Témavezető: Böröczki Ágoston GE  Hungary Rt, Gyimóthy Szabolcs, Elméleti Villamosságtan Tanszék), Dr Sebestyén Imre, Elméleti Villamosságtan Tanszék
A modernebb gépkocsik fényszóróinak lelkét a D2 jelû kisülõlámpa alkotja. A nagynyomású gázban kialakított elektromos ív fizikája rendkívül bonyolult, ennek a plazmának a hatékony, mégis hû modellezése ma is kutatási terület. A folyamatot egy elõtételektronika tartja a megfelelõ munkapontban, amelynek ára nem közömbös az egész termék – a fényszóró – sikerének szempontjából, így egyszerûsítése gazdasági elõnyt jelent. Nem szabad elfeledkeznünk azonban arról, hogy a megbízható mûködés mindennél fontosabb, így minden átalakítást elméleti modellezés, és hosszas tesztelés elõz meg.
Az ív közel négyszögjeles gerjesztése nyomásingadozásokat okoz – így hanghullámokat kelt – a gázban. A hanghullámok a kvarcüveg falról visszaverõdve állóhullámokat tudnak kialakítani, tehát bizonyos módusokon rezonálni tud a gáz. Ez az akusztikus rezonancia az ív elektromos paramétereinek gyors változásait okozza, az így kialakult rendszer szabályozástechnikai szempontból nézve bonyolult. A gerjesztést célszerû úgy megválasztani, hogy ne táplálja a rezonáns módusokat, ehhez azonban ismernünk kell õket egy adott fizikai elrendezésre.
A gázok lényegében rugalmas testek, melyeknek egy a gyakorlatban is jól használható modelljében az infinitezimálisan kicsi anyagrészletek kitéréseinek vonalmenti integráljára skaláris hullámegyenletet írhatunk fel. Mivel periodikus gerjesztés mellett stacioner megoldást keresünk, áttérünk a frekvenciatartományba, így megkapjuk az ún. Helmholz-egyenletet:

Rezonancia azokon a frekvenciákon léphet fel, ahol az egyenlet szingulárissá válik. A módusok képét a szinguláris megoldások (sajátfüggvények) adják. A fenti sajátértékfeladatot az általános geometria miatt végeselem-módszerrel, numerikusan oldottuk meg. A vizsgált tartományra egy szimplex-hálót illesztettünk,  az ismeretlen függvényt a háló elemein lineárisan interpoláltuk a csúcsain értelmezett paraméterekbõl. Az eredeti parciális differenciálegyenletet így Galjerkin-módszerrel lineáris egyenletrendszerré alakítottuk. A rezonáns frekvenciák az egyenletrendszer mátrixának sajátértékei lesznek, a módusok képeit a sajátvektorokból alkothatjuk meg.
Az izzó forgásszimmetriáját kihasználva a geometriát kétdimenziósra egyszerûsíthetjük. Ez a paraméterek számát – az egyenletrendszer méretét –, így az implementált algoritmus tár- és idõigényét is drasztikusan csökkenti. Az aktuálisan számítandó geometria az elkészült program inputjának része, egész bonyolult 1D és 2D elrendezéseket teszteltünk, miután az analitikusan is megoldható geometriákon számított megoldásokat ellenõriztük.
Munkánk során felállítottuk a vizsgált fizikai folyamat egy egyszerûsített modelljét, majd egy a tanszéken C++-ban fejlesztett végeselemkód és az octave nevû GNU-licenszes matematikai segédprogram segítségével szoftvert implementáltunk Linux alá. Számítási eredményeink mérésekkel való megerõsítése folyamatban van.