Отзыв официального оппонента (Моделирование газовых разрядов постоянного тока с нелокальной ионизацией)

ОТЗЫВ официального оппонента Бычкова Владимира Львовича на диссертацию Елисеева Степана Ивановича «Моделирование газовых разрядов постоянного тока е нелокальной иоицзациейяч представленную на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.08 — физика плазмы. Диссертационная работа С. И.

Елисеева посвящена вопросам построения моделей и расчета параметров газовых разрядов постоянного тока, в частности коротких тлеющих разрядов и разрядов с сетчатым анодом, При описании подобных разрядов необходимо учитыюгь нелокальный характер ионизации в прикатодных областях — плазмы отрицательного свечения и фарадеева темного пространства.

Для этих целей в работе предложено использовать специально сформулированный вариант гибридного подхода к описанию параметров разряда, Все гибридные подходы основываются на разделении электронов в разряде на группы быстрых и медленных. Обычно для описания группы быстрых электронов используется трудоемкая процедура Монте-Карло, на основе которой рассчитывается обусловленная ими ионизация.

В данной работе оыло предложено использовать аналитическую формулировку источника ионизации быстрыми электронами, что, во-первых, значительно упрощает проведение расчетов, и, во-вторых, открывает новые пути для усовершенствования гибридного подхода и его использования при моделировании более широкого круга разрядов и газоразрядных устройств. Так, на основе сформулированного подхода в работе была решена задача самосогласованного расчета температуры медленных электронов и впервые построена самосогласованная модель разряда с сетчатым анодом. Актуальность работы обусловлена двумя обстоятельствами.

Во-первых, методы численного моделирования на сегодняшний день получили широчайшее распространение как при решении реальных научных и технических задач, так и в образовательном процессе. Наличие готовых решений и программных пакетов привело к тому, что вопросам корректности используемых моделей ~что особенно характерно для области моделирования газовых разрядов) уделяется недостаточно внимания„а попытки унифицировать подходы к описанию различных разрядов не позволяют глубже проникать в их природу. Во-вторых„разряды, подобные рассматриваемому в работе разряду с сетчатым анодом, сегодня привлекают особое внимание с точки зрения целого ряда перспективных приложений, таких как создание плазмы большого объема для проведения лабораторных исследований прохождения электромагнитных волн сквозь плазму и создания поглощающих плазменных покрьпий.

В этом смысле предложенный в работе подход и полученных результаты представляют н~~~~не~ный практический инт~р~с. Структурно работа состоит из Введения, четырех глав (одна обзорная и три оригинальные), Заключения и Приложения. В Главе 1 представлены краткое введение в физику газовых разрядов постоянного тока, обзор основных экспериментальных исследований прикатодной области тлеющего разряда, а также обзор основных подходов к моделированию тлеющих разрядов постоянного тока, посвященные моделированию разрядов постоянного тока. На основании анализа экспериментальных данных сформулированы основные факты и свойства разряда, которые должны быть учтены при построении достоверных моделей. Обзор как экспериментальных, так и теоретических и численных работ проведен на весьма детальном уровне, от первых экспериментальных работ и аналитических моделей разряда до современного состояния в данных областях, Отмечается, что на сегодняшний день наиболее надежные количественные оценки параметров тлеющего разряда возможно получить с использованием гибридных подходов, однако их значительный уровень сложности затрудняет их широкое распространение на практике, рассматривается возможность замены трудоемкой процедуры Монте-Карло расчета траекторий быстрых электронов на аналитическую формулировку источника нелокальной иоиизации.

Также приведено описание разряда с сетчатым анодом, его основных свойств и областей применения. В Главе 2 представлена формулировка простого гибридного подхода, основанного, как и все гибридные подходы, на разбиении электронов в разряда на две группы — быстрых и медленных. Для описания ионов и медленных электронов используются, аналогично гидродинамическому подходу, уравнения непрерывности на концентрации в дрейфо-диффузионном приближении на потоки заряженных частиц.

В случае быстрых электронов предполагается, что свой основной вклад в параметры разряда они вносят через ионизацию, которая имеет нелокальный характер ~не связана со значениями параметров разряда в данной точке). Для описания пространственного распределения скорости ионизации предложено аналитическое выражение. Представлен ряд результатов расчетов тлеющего разряда постоянного тока в плоскопараллельной конфигурации электродов, демонстрирующих способность разработанного подхода воспроизводить основные свойства разряда. Также представлено исследование зависимости свойств разряда от значения основных входных параметров — характерного спада источника нелокальной ионизация 1 и температуры медленных электронов Т„,. К главным результатам главы можно отнести наглядную демонстрацию существенной зависимости результатов расчетов от значений входных параметров.

На этой основе для 1 была предложена оценка на основе длины свободного пробега быстрых электронов. В случае же температуры медленных электронов данный результат говорит о необходимости проведения ее самосогласованных расчетов. Глава 3 является центральной и посвящена решению задачи корректной формулировки уравнения баланса энергии медленных электронов. Предварительное рассмотрение показало, что простое добавление уравнения баланса энергии медленных электронов в том виде, в котором оно записано для расширенного гидродинамич еского подхода, не позволяет добиться необходимых результатов. Таким образом показано„что корректная формулировка уравнения баланса энергии медленных электронов должно учитывать групповой характер их энергетического распределения.

Предложенная формулировка баланса основано на двух предположениях, согласующихся с работами, приведенными в обзорной главе. Во-первых, в уравнении пренебрегается нагревом медленных электронов в поле, причем во всем разрядном промежутке, как в слое, так и в квазинейтральной плазме. Вовторых, утверждается, что доминирующими членами в уравнении будут потери на упругие столкновения с нейтральными атомами и нагрев в результате кулоновских столкновений с вторичными электронами, который был определен как произведение источника нелокальной ионизации на эффективную энергию, привносимую вторичным электроном в ансамбль медленных, для определения которой предложена эмпирическая формула.

Сформулированное уравнение было встроено в разработанную модель. Было проведено сопоставление расчетов с имеющимися в литературе экспериментальными данными о параметрах короткого тлеющего разряда. Сопоставление вольт-амперных характеристик и концентраций н температур электронов в плазме показало удовлетворительное согласие. Особо отмечается тот факт, что на расчете были получены экспериментально наблюдаемые тенденции изменения параметров плазмы с изменением давления. Приведенным тенденциям дано объяснение в рамках модели.

При этом отмечается, что ключевую роль играет непосредственно нагрев в результате кулоновских столкновений. Проведенное сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными и полученное согласие позволяет говорить о корректности разработанного подхода, что является основным результатом главы. В 4 Глана продемонстрирована прикладная значимость разрабатываемого подхода — представлены результаты его использования для моделирования разряда постоянного тока с сетчатым анодом. Для возможности проведения расчетов в одномерной формулировке было сформулировано специальное граничное условие прозрачности, позволившее ввести в расчетную область точку, соответствующую сетке анода. Было проведено исследование роли ионов, приходящих из плазмы, в самоподдержание такою разряда.

Были проведены две серии расчетов, одна с прозрачной сеткой анода, друтая — с искусственно закрытой. Сопоставление рассчитанных вольт-амперных характеристик позволило выделить две области. При низких токах напряжения разряда отличались ~в случае открытой сетки напряжение было меньше), при более высоких же совпадали. Полученный результат был объяснен тем, что при увеличении тока толщина катодного слоя уменьшается, и плазма образуется в промежутке между катодом и сеткой, что приводит к обращению электрическОГО пОля, кОторое запирает иОны, приходящие из плазмы в пространстве за анодом, Далее рассмотрена возможность использования разряда с сетчатым анодом в для создания поглощающего плазменнОГО покрытия, МОдель разряда использовалась для расчета пространственного распределения концентрации электронов в плазме в воздухе при различных давлениях, которые затем использовались в качестве входных данных при расчете комплексной диэлектрической проницаемости среды и поглощения электромагнитной волны в широком диапазоне частот.

Было установлено, что создаваемая подобным образом ~лазма ~п~~~бна поглоща~ь ~олны в ~ирок~м ли~паз~не часто~. В Заключении приведены основные результаты научной работы и сделаны основные выводы. В Приложение вынесены таблицы плазмохимических реакций, использованные при проведении расчетов. Остановимси на достоинствах работы. В качестве одного из достоинств работы можно отметить последовательный обзор существующих подходов к моделированию газовых разрядов. Описание подходов приведено на детальном уровне, с пониманием основных принципов и со значительным числом полезных ссылок. Корректность разработанного подхода убедительно продемонстрирована, помимо верификации и сопоставления с экспериментом, еще и объяснением экспериментальных результатов ~в случае короткого тлеющего разряда) и предсказанием новых свойств разряда с сетчатым анодом ~которые могут быть относительно легко проверены на эксперименте).