Диссертация (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 ПОСТОЯННОГО ТОКА СНЕЛОКАЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙСпециальность 01.04.08 – Физика плазмыДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физ.-мат. наук, доцентАнатолий Анатольевич КудрявцевСанкт-Петербург2017ОглавлениеВведение…………………………………………………………………...Глава 1.

Обзор литературы1.1. Пробойразрядногопромежуткаиусловиесамоподдержания разряда……………………………………1.2. Вольт-амперная характеристика и основные типыразряда постоянного тока…………………………………….1.3. Продольнаяструктуратлеющегоразрядаираспределение основных параметров по длине…………...1.4. Обзор экспериментальных исследований прикатодныхобластей тлеющего разряда постоянного тока…………….1.5. Обзор основных подходов к моделированию тлеющегоразряда постоянного тока…………………………………….1.5.1.

Ранние модели тлеющего разряда…………………..1.5.2. Гидродинамический подход………………………….1.5.3. Кинетический подход: решение уравненияБольцмана……………………………………………...1.5.4. Кинетический подход: метод Монте-Карло………..1.5.5. Самосогласованные кинетические модели……......1.5.6. Гибридный подход…………………………………….1.5.7. Полуаналитические методы…………………………1.6.

Разряды с сетчатым анодом………………………………….Выводы к главе………………………………………………………Глава 2. Моделирование тлеющего разряда с использованиемпростого гибридного подхода2.1. Описание модели………………………………………………2.2. Результаты расчетов – вольт-амперная характеристикаипространственныераспределенияосновныхпараметров……………………………………………………..2.3. Зависимость параметров разряда от давления……………2.4.

Анализ чувствительности модели к значениям входныхпараметров……………………………………………………..Выводы к главе………………………………………………………Глава 3. Баланс энергии медленных электронов3.1. Предварительные расчеты в рамках расширеннойгидродинамической модели в учетом нелокальнойионизации………………………………………………………3.2. Формулировка уравнения баланса энергии медленныхэлектронов в тлеющем разряде……………………………...3.3. Исследование эффективной энергии, привносимойвторичным электроном в группу медленных электронов.3.4. Сопоставление с результатами экспериментальныхизмерений………………………………………………………Выводы к главе………………………………………………………24182122253435414953596370778587919899107108111114121127Глава 4.

Численное моделирование разряда постоянного тока ссетчатым анодом4.1. Описание модели………………………………………………4.2. Результаты расчетов параметров разряда с сетчатыманодом…………………………………………………………...4.3. Исследование самоподдержания разряда с сетчатыманодом…………………………………………………………...4.4. Исследование концепции создания поглощающегоплазменного покрытия на основе разряда с сетчатыманодом…………………………………………………………...Выводы к главе………………………………………………………Заключение………………………………………………………………..Список литературы……………………………………………………...Приложение: таблицы плазмохимических реакций………………...3129133134140148150155172ВведениеДиссертационная работа посвящена вопросам теории и численногомоделирования газовых разрядов постоянного тока, в которых ключевуюроль играют процессы нелокального возбуждения и ионизации.Нелокальная ионизация представляет собой ионизацию, производимуюбыстрыми электронами.

Подобная ионизация характерна для разрядовпостоянного тока с холодным катодом, вблизи которого формируется слойположительного объемного заряда [1,2]. Примерами таких разрядов служатклассические тлеющие разряды [3], разряды с полым катодом [4,5] и разрядыс сетчатым анодом (также иногда называемые «открытыми разрядами» [6,7]).Нелокальной данная ионизация называется по той причине, что еехарактерной особенностью является независимость от локальных значенийпараметров разряда (напряженности электрического поля или температурыэлектронов).Нелокальнаяионизацияявляетсяопределяющимпроцессомобразования заряженных частиц в прикатодных областях тлеющего разряда –катодном слое, плазме отрицательного свечения и фарадеевом темномпространстве.Экспериментальноеисследованиепараметровплазмыотрицательного свечения показывают, что электрическое поле в этой областислабо (иногда даже меняет знак) [8,9], температура электронов низкая [10], инаблюдаемые высокие значения (по сравнению с положительным столбом)концентрацииэлектроновнемогутподдерживатьсялокальнымиионизационными процессами.

Модели газового разряда на основе локальногоприближения (local-field approximation, LFA) не позволяет получитькорректной качественной картины продольного распределения параметровразряда и его характерной слоистой структуры [11,12]. В связи с этим притеоретическом рассмотрении классического тлеющего разряда, несмотря надавность исследований данного объекта, принципиальным остается вопрос,4связанный с учетом нелокальной ионизации в моделях разрядов постоянноготока.Актуальностьпроблемы.Интенсивноеиспользованиеметодовчисленного моделирования при решении широко круга научных итехнических задач физики газового разряда привело к тому, что численноемоделирование стало неотъемлемой частью технологического процессасоздания различных газоразрядных устройств.

Этим объясняется появлениецелогорядапрограммныхпродуктов,позволяющихпроводитьихмоделирование, оптимизировать конструкцию и проводить различные тестыперед непосредственной реализацией на практике. Данный факт делаетпервостепенно важными вопросы, связанные с корректной формулировкоймоделей газовых разрядов, используемых при проведении численныхэкспериментов.На сегодняшний день наиболее распространенным в практическихрасчетах газоразрядных устройств является гидродинамический подход [12].Описание газового разряда в рамках данного подхода осуществляется припомощи усредненных макроскопических характеристик (концентраций,потоков, средней энергии), изменение которых во времени и пространствеопределяется из решения гидродинамических уравнений баланса.

Вместе суравнением Пуассона и локальным приближением относительно связискоростей возбуждения и ионизации с полем или средней энергиейэлектронов, они образуют самосогласованную систему уравнений. Подходпозволяет проводить численное моделирование различных типов разрядовкак в простейшей одномерной постановке [11,13], так и в сложныхдвумерных [14-17] и трехмерных геометрических конфигурациях [18].Как результат, в последние годы значительно выросло числопубликаций, посвященных численному моделированию различных газовыхразрядов и разрядных устройств с использованием гидродинамическогоподхода.

Однако зачастую правомерность использования данного подхода к5конкретной задаче не обсуждается. Данный вопрос наиболее остро стоит причисленном моделировании устройств, основанных на тлеющем разрядепостоянного тока [12,19-22].Давно известно, что при численном моделировании тлеющего разряданеобходимоучитыватьнелокальныйхарактерпроцессовионизации,обуславливающий возникновение прикатодных плазменных областей –отрицательного свечения и фарадеева темного пространства. Корректныекачественные и количественные результаты моделирования продольнойструктуры тлеющего разряда возможно получить с использованиемразличных кинетических [22,23] и гибридных методов [24,25]. Однако такиеметоды сложны и трудоемки, что затрудняет их широкое распространениепри моделировании практических устройств.

В этом смысле отработкаэффективных и простых методик численного моделирования, позволяющихкорректно и эффективно предсказывать свойства разрядов с нелокальнойионизацией, представляет несомненный практический интерес [26].Также в последнее время особое внимание уделяется газовым разрядамв конфигурациях, в которых один из электродов представляет собой сетку[27-30].Принебольшомрасстояниимеждуэлектродамипроцесснелокальной ионизации будут происходит вне межэлектродной области – впространстве за анодом.

Данная конфигурация теоретически позволяетсоздавать плазму большого объема, что может быть использовано, например,для создания условий экспериментального исследования прохожденияэлектромагнитных волн сквозь плазму.Кроме того, аномальные тлеющие разряды и разряды с сетчатыманодом используются в качестве источника пучков электронов. В последнеевремя определенный интерес вызывает возможность использования пучковэлектронов для создания плазменного покрытия вокруг летательныхаппаратов, которое было бы способно поглощать электромагнитные волны вшироком диапазоне частот [31].6Разряды, в которых значительную роль играют процессы нелокальнойионизации, представляют интерес и с фундаментальной точки зрения. Так,самоподдержание разряда до сих пор зачастую рассматривается на основеклассической модели Энгеля-Штеенбека [32].

Данная модель предполагаетзависимость скорости ионизации от напряженности электрического поля.Ионизация при таком рассмотрении сконцентрирована в катодном слое,который в этом случае представляет собой автономную систему. Условиесамоподдержания разряда тогда представляет собой критерий пробояТаунсенда. Такое рассмотрение не учитывает приход ионов, рождающихся врезультате нелокальной ионизации в области отрицательного свечения,которые могут вносить существенный вклад в самоподдержание разряда.

Вслучае аномального тлеющего разряда толщина катодного слоя и доляприходящейся на него ионизации малы. Поэтому подавляющее число ионов,попадающих на катод, рождаются именно в плазме отрицательногосвечения [3].Учет вклада ионов, приходящих из плазмы, в самоподдержаниеразряда, имеет непосредственное значения для моделирования разрядов ссетчатым анодом, в котором нелокальная ионизация происходит во внешнейобласти. Механизм самоподдержания данного разряда являлся одним изцентральных вопросов в истории его исследования.

Самосогласованноеописание разряда с сетчатым анодом на сегодняшний день отсутствует.Создание подобной модели и проведение с ее помощью численныхэкспериментов представляет несомненный интерес для углубления нашегопонимания механизма данного разряда, что несомненно позволит найти емубольше применений.7Степень разработанности темы исследования. Общие принципы иосновные подходы к численному моделированию газовых разрядов былисформулированы в 80-90 гг. прошлого века.

К этому моменту развитиекомпьютерной техники позволило исследовательским центрам получитьдоступ к мощным вычислительным кластерам, способным относительнобыстро проводить трудоемкие расчеты. В последние несколько десятилетийсущественный вклад в развитие методов численного моделирования газовогоразряда внесли Ж. П. Бёф, Д. Б. Грэйвс, Л. Пичфорд, З. Донко, Г.