Автореферат (Моделирование газовых разрядов постоянного тока с нелокальной ионизацией)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиЕЛИСЕЕВ Степан ИвановичМОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ПОСТОЯННОГОТОКА С НЕЛОКАЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙСпециальность 01.04.08 – Физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждениивысшегообразования«Санкт-Петербургскийгосударственныйуниверситет»Научный руководитель:Кудрявцев Анатолий Анатольевичкандидат физико-математических наук, доценткафедры оптики физического факультета ФГБОУВО«Санкт-Петербургскийгосударственныйуниверситет»Официальные оппоненты:Бычков Владимир Львовичдоктор физико-математических наук, ведущийнаучныйсотрудниккафедрыфизическойэлектроникиФГБОУВО«Московскийгосударственный университет имени М.

В.Ломоносова»Попов Сергей Дмитриевичкандидаттехническихнаук,заведующийлабораторией систем питания плазмотронов ФГБУН«Институт электрофизики и электроэнергетикиРАН»Ведущая организация:Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого (СПбПУ)Защита диссертации состоится 22 марта 2018 года в 13 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатскихдиссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул.

1, Малый конференц-залфизического факультета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. Горького СПбГУ по адресу:199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.Диссертация и автореферат размещены на сайте www.spbu.ruАвтореферат разослан«___»___________ 2018 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.232.45, доктор физ.-мат. наукСухомлинов В. С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Интенсивное использование методовчисленного моделирования при решении широко круга научных и технических задачфизики газового разряда привело к тому, что численное моделирование сталонеотъемлемой частью технологического процесса создания различных газоразрядныхустройств.

Этим объясняется появление целого ряда программных пакетов, позволяющихпроводитьпредварительныечисленныерасчетыгазоразрядныхустройств,оптимизировать их конструкцию и проводить различные тесты перед непосредственнойреализацией на практике. Данное обстоятельство делает первостепенно важными вопросы,связанные с корректной формулировкой моделей газовых разрядов, используемых припроведении численных экспериментов.На сегодняшний день наиболее распространенным в практических расчетахгазоразрядных устройств является гидродинамический подход [1]. Описание газовогоразряда в рамках данного подхода осуществляется при помощи усредненныхмакроскопических характеристик (концентраций и потоков заряженных частиц, ихсредней энергии), изменение которых во времени и пространстве определяется из решениягидродинамических уравнений баланса.

Данные уравнения, вместе с уравнением Пуассонаи приближением локального поля (Local-field approximation, LFA) для связи скоростиионизации с локальными значениями параметров разряда (напряженности электрическогополя или средней энергии электронов), образуют самосогласованную систему уравнений.Гидродинамический подход позволяет проводить численное моделирование различныхтипов разрядов как в простейшей одномерной постановке [2,3], так и в сложных двумерных[4-7] и трехмерных геометрических конфигурациях [8].В результате, в последние годы значительно выросло число публикаций,посвященных численному моделированию различных газовых разрядов и разрядныхустройств с использованием гидродинамического подхода.

Однако зачастуюправомерность использования данного подхода к конкретной задаче не обсуждается.Данный вопрос наиболее остро стоит при численном моделировании устройств,основанных на тлеющем разряде постоянного тока [1,9-12].Известно, что при численном моделировании тлеющего разряда необходимоучитывать нелокальный характер процессов ионизации, обуславливающий возникновениеприкатодных плазменных областей – отрицательного свечения и фарадеева темногопространства.

Модели газового разряда на основе локального приближения не позволяютполучить корректной картины продольного распределения параметров разряда и егохарактерной слоистой структуры [11,12]. Корректные качественные и количественныерезультаты моделирования тлеющего разряда постоянного тока могут быть получены сиспользованием различных кинетических [12,13] и гибридных методов [14,15]. Однакотакие методы сложны и трудоемки, что затрудняет их широкое распространение примоделировании практических устройств. В этом смысле отработка эффективных методик1численного моделирования, позволяющих корректно предсказывать свойства разрядов снелокальной ионизацией, представляет несомненный практический интерес [16].Степень разработанности темы исследования.

Общие принципы и основныеподходы к моделированию газовых разрядов были сформулированы в 80–90-х гг.прошлого века. К этому моменту развитие компьютерной техники позволилоисследовательским центрам получить доступ к мощным вычислительным кластерам,способным относительно быстро проводить трудоемкие расчеты. В последние несколькодесятилетий существенный вклад в развитие методов численного моделирования газовогоразряда внесли Ж.

П. Бёф, Д. Б. Грэйвс, Л. Пичфорд, З. Донко, Г. Дж. M. Хагелаар, A.Богаерц, В. И. Колобов, Р. Р. Арсланбеков и др. На сегодняшний день методика численногомоделирования тлеющего разряда отработана достаточно хорошо, и задача получения нарасчете структуры тлеющего разряда в плоскопараллельной геометрии на качественномуровне в принципе решена (как в одномерной, так и в двумерной постановке). Наиболееудачным в этом смысле считается гибридный подход [14,15], основанный на разделенииэлектронов в разряде на группы медленных (описываемых в рамках гидродинамическогоподхода) и быстрых (описываемых методом Монте-Карло).

Однако использованиепроцедуры Монте-Карло для описания группы быстрых электронов создает рядпринципиальных ограничений [16] на эффективность метода и требует значительныхвычислительных ресурсов. В этой связи практически важной является разработкаподходов, которые были бы более гибкими и эффективными и позволяли бы получатьточные количественные оценки при рассмотрении различных геометрическихконфигураций электродов и газоразрядных камер. Наиболее перспективной с этой точкизрения является замена трудоемкой процедуры Монте-Карло аналитическойформулировкой источника нелокальной ионизации быстрыми электронами [16,17].

Анализпоказывает, что разработанный на этой основе подход позволит корректно воспроизводитьосновные характеристики тлеющего разряда, что делает актуальным его развитие ирассмотрение.В этой связи одной из основных задач является анализ чувствительностиразрабатываемого гибридного подхода к численным значениям входных параметров,таких как вид и пространственный спад функции источника нелокальной ионизации.Также до сих пор нерешенной задачей является формулировка уравнения балансамедленных электронов в рамках гибридных подходов (в том числе и разрабатываемого) кописанию тлеющего разряда.

Наконец, необходимо проведение экстенсивной валидации –сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными в широкомдиапазоне условий. Поскольку подход с использованием аналитической формулировкиисточника нелокальной ионизации в теории может позволить совместить эффективностьгидродинамического подхода с физической корректностью кинетических и гибридныхмоделей, для него было предложено название простой гибридный подход («simple hybridapproach»).2Наиболее подходящим объектом для отработки методики, ввиду значительногоколичества как экспериментальных, так и численных исследований, представляетсякороткий (без положительного столба) тлеющий разряд.

Такой разряд состоит изкатодного и анодного слоев объемного разряда, а также плазмы отрицательного свеченияи фарадеева темного пространства, основной вклад в поддержание которых вноситнелокальная ионизация быстрыми электронами, поступающими из катодного слоя.Другой геометрией разряда, при которой ключевую роль играет нелокальнаяионизация, является конфигурация с сетчатым анодом. Подобные разряды используютсядля генерации пучков электронов для накачки лазеров [18,19], а в последнее время такженашли применение в качестве источников плазмы большого объема для проведенияэкспериментальных исследований прохождения электромагнитных волн сквозь плазму[20,21].

В отличие от классического тлеющего разряда, самосогласованной модели разрядас сетчатым анодом на сегодняшний день не существует. Направленностьэкспериментальных и теоретических исследований данного объекта во многомограничивалась, во-первых, поиском путей увеличения эффективности генерации пучкаэлектронов [22,23], во-вторых, определением основного механизма эмиссии электронов споверхности катода [24,25]. Последний вопрос до сих пор остается дискуссионным: рядавторов [24,25] настаивает на определяющей роли фотоэмиссии с катода.

В тоже время этаточка зрения подвергается вполне закономерной критике в [26]. В связи с этим разработкачисленной модели разряда с сетчатым анодом представляет несомненный интерес.Цель работы. Целью работы является создание и отработка численных моделейразрядов с нелокальной ионизацией, которые должны быть логически непротиворечивы,самосогласованы и воспроизводить основные свойства разрядов, наблюдаемые наэксперименте. Созданные модели должны быть самостоятельными инструментами,позволяющими проводить исследование и отвечать на актуальные вопросы, стоящие передфизикой газовых разрядов.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:– осуществить численную реализацию простого гибридного подхода к расчетуразрядов с нелокальной ионизацией;– сформулировать уравнение баланса энергии медленных электронов в плазме,выявить основные источники нагрева и потери энергии, сформулировать нагревмедленных электронов при кулоновских столкновениях с вторичными (родившимися врезультате ионизации быстрыми электронами), определить влияние внешних параметровна величину этого источника нагрева, встроить уравнение баланса энергий в ранеесозданную численную реализацию метода;– провести расчет параметров короткого тлеющего разряда в плоскопараллельнойгеометрии в широком диапазоне давлений и разрядных токов, сопоставить результаты симеющимися экспериментальными и расчетными данными, провести анализ зависимостейсвойств разряда от давления и разрядного тока;3– разработать численную модель разряда с сетчатым анодом, провести расчетосновных параметров разряда для различных типов и давлений газов, исследоватьмеханизмы самоподдержания разряда;– провести расчеты источника плазмы в воздухе на основе разряда с сетчатыманодом, определить эффективность его использования для создания поглощающегоплазменного покрытия.Научная новизна.1.2.3.4.5.Корректная формулировка уравнения баланса энергии медленных электронов и учеткулоновских столкновений в простом гибридном подходе позволили добитьсяхорошего согласия с результатами экспериментальных измерений в широкомдиапазоне давлений газа и разрядных токов.В рамках сформулированной модели дано объяснение наблюдаемой на экспериментетенденции увеличения концентрации электронов с уменьшением давления газа вкоротком тлеющем разряде.Была впервые сформулирована самосогласованная численная модель разряда ссетчатым анодом.Впервые получены пространственные распределения параметров разряда с сетчатыманодом, проанализирован вклад в самоподдержание разряда ионов, приходящих изплазмы, создаваемой в пространстве за анодом.Проведено моделирование источника плазмы в воздухе при давлении от 10 до 50 Торрна основе разряда с сетчатым анодом.