Автореферат (Радиационные эффекты в неравновесной плазме дуговых и тлеющих разрядов), страница 2

23rd Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases(ESCAMPIG), Bratislava, Slovakia, July 12-16, 2016.4. 21st International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Nagoya,Japan, September 11-16, 2016.5. 32nd International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Iasi,Romania, July 26-31, 2015.6. 21st Symposium on Physics of Switching Arc, Nové Město na Moravě, CzechRepublic, September 7-11, 2015.7.

20th International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Orléans,France, July 6-11, 2014.8. 78th DPG Annual Conference and Spring Meeting of the AMOP Section, Berlin,Germany, March 17-21, 2014.69. Peterhof Workshop on Laser Physics, Saint Petersburg, Russia, April 21-25, 2014.10. 4th International Student’s Conference «Science and Progress», Saint Petersburg,Russia, 2013.11. 3rd International Student’s Conference «Science and Progress», Saint Petersburg,Russia, 2012.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 статьях врецензируемых журналах, индексируемых Web of Science и Scopus [1–7].Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и двух приложений. Полный объем диссертации составляет200 страниц с 91 рисунком и 6 таблицами. Список цитируемой литературысодержит 218 наименований.Содержание работыВо введении сформулированы основные цели и задачи исследования,обоснована актуальность темы диссертации, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы.Первая глава посвящена обзору литературы по проблематике диссертации. В первой части главы обсуждаются работы, посвященные решению уравнения переноса резонансного излучения (уравнения Холстейна-Бибермана) и включению пленения излучения в разнообразные модели газоразрядных плазменныхобъектов.

Во второй части главы рассматриваются вопросы неравновесного моделирования сильноточных свободно горящих дуг атмосферного давления. Обосновывается необходимость столкновительно-радиационного моделирования дугового разряда с учетом пленения резонансного излучения. В третьей части приведен обзор работ, посвященных измерению заселенностей возбужденных состояний путем регистрации излучения от объёмного источника. Обсуждаются вопросы, связанные с учетом реабсорбции излучения в пределах источника плазмы,а также методы измерения плотностей метастабильных и резонасных атомов поизлучению и поглощению спектральных линий.

Четвертая часть главы содержит обзор работ по контракции положительного столба тлеющего разряда. Обсуждаются основные причины контракции разряда, современное состояние проблемы и обосновывается необходимость учета пленения резонасного излученияпри моделировании явления.Во второй главе описан матричный метод решения Холстейна-Бибермана,основанный на замене интегрального оператора переноса излучения системой ли7нейных и алгебраических уравнений:∫︁ (r) − (r′ )(r, r′ )dr′ = (r),1(r, r′ ) =42∫︁∞⎛ (r) exp ⎝−−∞∫︁(1)⎞ ()d ⎠d, = |r − r′ |.0⇓⎛ ( ) =∑︁, (r ),, = ⎝, −⎞∫︁(r , r′ )dr′ ⎠.(2)ΔЗдесь (r) - заселенность возбужденного состояния, - вероятность спонтанного перехода, (r, r′ ) описывает вероятность фотона, испущенного в спектральной линии в точке r′ , быть поглощенным в точке r. (r) - источники возбуждения уровня, , - контуры линий излучения и поглощения соответственно.Рассмотрены случаи однородного и неоднородного коэффициентов поглощения для бесконечного цилиндра.

С помощью тестовых задач продемонстрированы отличия приближения эффективной вероятности и матричного метода, атакже влияние неоднородности коэффициента поглощения на получаемые решения.Предложен оригинальный метод решения уравнения ХолстейнаБибермана, позволяющий рассматривать 3D-геометрию источника произвольной формы, дискретизированную на однородной декартовой сетке - методтрассировки лучей (Рис. 1). Наряду с произвольной геометрией, метод можетбыть применен для различных контуров спектральных линий.

Коэффициентыматрицы переноса излучения имеют следующий вид:⎛⎞⎧,∞∫︁⎪∑︁⎪ () ()Δ⎪⎝⎪exp− ()Δ⎠d, ̸= ;⎪⎪2,⎨ 4=1,0 ⎡⎤(3), = ·∫︁∞ ∫︁Δ⎪⎪⎪⎪⎪1 + ⎣ () () exp (− ())d⎦d, = .⎪⎩00Стоит отметить, что использование модельных контуров (например, лоренцевского), избавляющее от необходимости считать интеграл по частоте численно,значительно снижает время расчета.8J1i,k= iJ2i,kJ3i,kJ4i,kJ5i,kJ6i,kJmi,k= kРис. 1: Алгоритм трассировки лучей на декартовой сетке.(a)L = 2R(b)SourceРис. 2: () Схема геометрии конечного цилиндра, () пространственные распределения плотности резонансных атомов в случае -образного источника возбуждения в центре.

Сетка - методтрассировки лучей, закрашенная поверхность - матричный метод с симметричными конечнымиобъёмами.Метод протестирован путем сравнения с результатами классического матричного метода для геометрии конечного цилиндра [8] с точечным источникомвозбуждения в центре объёма (Рис. 2). Сравнение результатов тестовой задачипоказывает хорошее согласие. Была определена область применимости асимптотического приближения крыльев лоренцевского контура линии, которое ранеетрадиционно использовалось в матричном методе.Метод трассировки лучей проиллюстрирован решениями в сложных геометриях: колокол, имитирующий форму свободно горящей дуги и цилиндрическая коаксиальная геометрия, характерная, например, для магнетронного разряда.

Экранирование излучения внутренним цилиндром в коаксиальной геометриикоррелирует с результатами, полученными ранее асимптотическим матричнымметодом [9]. Также показано влияние краевых эффектов для коаксиального цилиндра конечной длины. Было выполнено сравнение диффузионного и радиационного переноса частиц и фотонов на примере коаксиальной конфигурации с то91 .01 .0lo g ( N /N0 .8r/R0 .2D iffu s io n0 .4-2 .0 0 00 .2-3 .0 0 0-0 .20 .0-0 .2m a x-1 .0 0 0-2 .0 0 0R a d ia tio ntr a p p in g-3 .0 0 0-4 .0 0 0-0 .4-4 .0 0 0-0 .4-0 .6-5 .0 0 0-0 .6-5 .0 0 0-0 .8-6 .0 0 0-0 .8-6 .0 0 0-1 .0)0 .0 0 00 .6-1 .0 0 0r/R0 .4lo g ( N /N0 .80 .0 0 00 .60 .0m a x)-1 .0-1 .0 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 .00 .20 .40 .60 .81 .0-1 .0 -0 .8 -0 .6 -0 .4 -0 .2 0 .0r/R0 .20 .40 .60 .81 .0r/RРис.

3: Контурные графики 2D-среза решения в коаксиальной геометрией с точечным источником возбуждения вблизи внешнего цилиндра. () Решение диффузионной задачи, () решениерадиационной задачи.чечным источником (Рис. 3). Показано, что столкновительная диффузия значительно эффективнее излучения в плане переноса.

Однако, в реальных условиях,вследствие столкновительного перемешивания и различия во временах жизни,перенос излучения может преобладать.Показано, что для случая высокой оптической плотности (соответсвующего асимптотике крыльев лоренцевского контура) матрица может быть сведена куниверсальной форме аналогично матричному методу. Так же, как и матричныйметод, разработанный подход может быть успешно интегрирован в многокомпонентные столкновительно-радиационные модели.В третьей главе выполнен анализ влияния пленения резонансного излучения на параметры плазмы свободно горящей дуги в аргоне.

Использован матричный метод для решения уравнения Холстейна-Бибермана с учетом неоднородности коэффициента поглощения в цилиндрической геометрии c лоренцевскимконтуром линии. Разработано две столкновительно-радиационных схемы для вышеупомянутого анализа.В первой схеме отработана методика учета пленения излучения применительно к сильноточной дуге в рамках самосогласованной модели [10]. Акцент сделан на анализе баланса отдельного резонансного уровня аргона 14 . Можно выделить следующие особенности. Свободно горящая дуга характеризуется сильными градиентами температуры газа и плотности нейтральных атомов, которые, всвою очередь, определяют пространственную неоднородность поглощения резонансного излучения, в особенности, по радиусу дуги.

Анализ выполнялся в цилиндрическом объёме в предположении однородности вдоль оси разряда для параметров, характеризующих дуговую плазму в определенных аксиальных позициях (вблизи катода и на середине расстояния между катодом и анодом). Сравнениерезультатов с самосогласованной неравновесной моделью демонстрирует рост за10)-3(b )1 01 71 01 61 01 5N u m b e r d e n s ity A r 1 s41 0N u m b e r d e n s ity 1 s4(m(m-3)(a )1 81 m m0 .00 .20 .40 .60 .81 .0r/R1 01 81 01 71 01 61 01 54 m m0 .00 .20 .40 .60 .81 .0r/RРис. 4: Плотности резонансных атомов Ar(14 ) в свободно горящей аргоновой дуге на расстоянии 1 мм () и 4 мм () от катода, полученные с помощью матричного метода с ̃︀0 = 1 (’ ’),(︀)︀1/2̃︀0 = 0 /avg(’△ ’), ̃︀0 = 0 /avg (’∘’), а также в приближении эффективной вероятностиперехода (штрих-кривая).селенности резонансного 14 -уровня на периферии дуги вследствие пленения резонансного излучения (Рис.

4). В этой области дуги девозбуждение резонансногосостояния осуществляется преимущественно за счет спонтанного излучения, вто время как столкновительное девозбуждение играет малую роль. Этот эффектпоказан для однородного по радиусу коэффициента поглощения а также для поглощения, пропорционального плотности нейтральных атомов и её квадрату. Вто же время, в наиболее горячей центральной области дуги пленение резонансного излучения не играет роли вследствие эффективного столкновительного девозбуждения резонансного уровня во всех рассматриваемых случаях неоднородности поглощения.

В этой области рассчитанные заселенности уровня 14 хорошосогласуются с результатами самосогласованной модели.Вторая столкновительно-радиационная схема включает в себя уравнениябаланса различных возбужденных состояний аргона с возможностью учета пленения излучения. Входные параметры модели, такие, как температуры и плотности нейтральных атомов и электронов, были взяты из самосогласованной моделидуги [11]. Выполнены расчеты плотностей возбужденных атомов в свободно горящей дуге в конфигурации, аналогичной первому случаю. Результаты расчетовс применением матричного метода продемонстрировали значительный рост напериферии дуги плотностей не только резонансных атомов, но и сильно перемешанных с ними метастабильных атомов (Рис. 5), а также незначительный ростконцентраций различных 2-атомов.

Влияние резонансного излучения на болеевысокие энергетические состояния практически отсутствовало. Проанализированы отклонения от равновесных распределений атомов по энергиям, обусловленные процессами излучения в разных радиальных позициях. Показано изменениесостояния плазмы по радиусу. В центре дуги плазма находится в состоянии, близ111 02 01 01 91 81 01 71 01 61 01 51 01 4m a tr ix m e th o d1 01 m m1 s1 351 s1 01 21 01 11 0D e n s ity , mD e n s ity , m-3-31 0(a )4e ffe c tiv e p r o b a b ility1 s1 s31 91 01 81 01 71 01 61 01 51 01 41 01 31 01 21 01 11 01 0(b )m a tr ix m e th o d4 m m21 001 051 01 52 001 s51 s41 s31 s25e ff e c tiv e p r o b a b ility1 01 52 0r, m mr, m mРис.