Развитие моделей газовых разрядов в постоянных, высокочастотных и сверхвысокочастотных электрических полях (1097865), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

В реальной задаче усиление оказывается болеенизким, чем в модели, предполагающей нулевую толщину фронта ионизации.Тем не менее, усиление ионизации имеет место, и перемещение границы в результате движения фронта ионизации в этой области оказывается гораздо болеебыстрым, чем в экваториальной области.

Дальнейшее вытягивание плазмоида сопровождается увеличением поля в плазме за счет геометрических эффектов (полев длинной тонкой нити размером много меньше длины волны равно внешнемуполю). Момент начала формирования нити совпадает с началом резкого роста диэлектрической проницаемости плазмы ne  nC  1 . Затем (рис. 19) происходитрезкое увеличение продольной скорости распространения разряда и падение по-24Рис. 19. Временная эволюция распределенияРис. 18. Временная эволюция распределеэлектрического поля вдоль большой и малойния плотности электронов вдоль большой иосей плазмоида.малой осей плазмоида (/=10, E=3Ebr).Рис.

20. Зависимости скоростей перемещения границ плазмоида от времени.Рис. 21. Зависимость плотности электроновв плазме от координат для трех фиксированных моментов времени t=1.3, 3, 5.08 (вбезразмерных переменных).25перечной. При расчете предполагалось, что    1 . Временная эволюция формы плазмоида, полученная в численных расчетах приведена на рис. 21. §4 посвящен сравнению результатов расчета характеристик разряда, полученных в §3 сэкспериментом, а также анализом более поздних результатов. Расчеты характеристик разряда, выполненные Ведениным и Розановым в 1992 и Ходатаевым с соавторами в 2002, также подтвердили идею о связи вытягивания нити с электростатическим усилением поля, высказанную автором в 1985 г.

Измерения проводимости плазмы в нити, выполненные с участием автора [9], показали, что в плазменной нити выполнено условие   1 . Экспериментальные исследования эволюции разряда, проведенные коллективом МРТИ также позволяют утверждать, чтонесмотря на более сложные процессы формирования плазмы внутри нити (развитие перегревной неустойчивости и т.п., возможность смены механизма распространения), процесс вытягивания нити связан с прежде всего электростатическимусилением поля в широкой области внешних условий.В §5 предложенные в главе принципы анализа свойств разряда в свободномпространстве применены к исследованию разряда постоянного тока в поперечномпотоке газа.

Использовалась кинетическая модель, учитывающая диффузию заряженных частиц и рекомбинацию. Качественный анализ показал, что до тех пор,пока скорость потока газа меньше скорости распространения фронта ионизации,форма разряда близка к наблюдающейся в покоящемся газе. Затем происходитпостепенный переход к стационарному разряду в виде двух плазменных следов,формирующихся за катодом и анодом. Синус угла между границей плазменногостолба и направлением скорости нейтралов CS равен отношению скорости фронтаионизации к CS. Аналогичное поведение разряда было зафиксировано в экспериментах Васильевой и Баранова в 1964 и последующих экспериментах Баранова ссоавторами 1966–1972 гг.

Дальнейшее увеличение скорости приводит к тому, чтодлина плазменных следов растет, падение напряжения на разряде увеличиваетсявыше напряжения пробоя и происходит вторичный пробой межэлектродногопромежутка. Разряд при этом переходит в импульсно периодическую форму, которая наблюдается во множестве экспериментов, проводимых в связи с решениемзадач плазменной аэродинамики. Для подтверждения качественной модели былопроведено численное моделирование поперечного разряда в сверхзвуковом потоке газа в диапазоне давлений 30 – 600 Тор, при скорости течения газа 300 – 1200м/с, в двумерной геометрии. Пример распределения плотности заряженных частиц в пространстве для одного из моментов времени приведен на рис. 22.Помимо качественного подтверждения изменения формы разряда численное моделирование показало, что свойства плазмы приэлектродных областей разряда слабо зависят от размера и формы плазменных следов, выносимых течениемнейтралов.

Если пренебречь возможностью вторичного пробоя, что достигается26при очень высокой частоте прилипания в слабоионизованной области, то набольших временах t   реализуются одинаковые формы разряда. Размер поперечного сечения столба растет с удалением от катода. При высоких давлениях газа расчетный размер сечения разряда оказывается больше наблюдаемого в эксперименте, что объясняется отсутствием учета нагрева нейтралов в численной модели.Рис. 22.

Пространственное распределение плотности электронов в разряде. Двумерная модель. Плотность нейтралов –2.121019 см-3, плотность токана катоде – 1 А/см2. Размерэлектрода 1 см, расстояние между электродами 1.2 см, скорость течения 120000 см/с, ширина потока – 1.4 см. Моментвремени t – 127 мкс после первоначального пробоя.Проведенный анализ разрядов постоянного тока, ВЧ и СВЧ разрядов в свободном пространстве позволяет сделать вывод, что получение количественногосогласия теории с экспериментом невозможно без одновременного учета электродинамики и полной кинетики процессов в плазме.

Однако данная задача оказывается сложной даже для современных ЭВМ. Поэтому в §6 была проведена попытка построить приближенных подход к решению задачи многокомпонентнойкинетики, основанный на сведении ее к одному уравнению диффузии с эффективными коэффициентами рождения и гибели частиц и коэффициентами переноса. Основой для развития данного подхода является выделение химических процессов, обладающих разными скоростями установления7.

По существу применяемый метод представляет применение к задаче о распространении фронта ионизации «принципа подчинения», предложенного и развитого Г. Хакеном. Возможности метода продемонстрированы на простых задачах о распространении фронта всреде с прилипанием и о влиянии ступенчатой ионизации на распространениефронта ионизации, для которых получены простые формулы для скорости и параметров фронта ионизации. Для того, чтобы оценить возможность примененияданного метода к более сложным задачам, в §6 проведено моделирование плазмы7Например, при развитии пробоя в воздухе прилипательно-отлипательный балансустанавливается гораздо быстрее, чем наработка заряженных частиц в целом.27положительного столба в воздухе с системой химических реакций, содержащихоколо 20 химических компонент.

Разряд постоянного тока был выбран для тогочтобы исключить влияние особенностей электродинамики на рассматриваемыепроцессы. Расчет показал, что на начальном этапе в распределении заряженныхчастиц можно выделить только одну асимптотику в периферийных областях разряда, и он должен хорошо описываться в рамках однокомпонентного уравнениядиффузии с нелинейным источником. На последующих стадиях можно выделитьот двух до трех асимптотических переходов из одного состояния в другое. Существуют также области, образовавшиеся на предыдущей стадии разряда, в которыхпроисходит медленное накопление или распад плазмы, в зависимости от эволюции плазмы в центральной области, а роль переноса несущественна. Как те, так идругие области хорошо описываются с помощью приближенной модели §6, поэтому можно ожидать, что предложенные модели будут удовлетворительно описывать процессы в разряде в целом, причем при правильном отборе системы химических реакций это описание будет не только качественным, но и количественным.

В §7 сформулированы выводы к главе 5.После рассмотрения в главах 1–4 эффектов, которые имеют место в классических формах разряда, были изучены процессы в одной из новых форм, полученной в последние годы (Глава 5) – разряд на поверхности диэлектрической антенны (Рис. 23). Этот разряд перспективен для использования в плазменной аэродинамике для управления обтеканием тел газовыми потоками, инициации горения топливо воздушной смеси, а при низких давлениях газа может быть основойдля построения технологических реакторов. Специфика разряда заключается втом, что на начальном этапе возбуждаемые в системе волны являются волнамидиэлектрического волновода, а возбуждение плазмы приводит к видоизменениюих дисперсии и превращению в поверхностные волны.

Кроме того, в отличие отклассического разряда, со всех сторон ограниченного твердотельной границей(металлической или диэлектрической) разряд на поверхности антенны имеетвнешнюю твердотельную границу только с одной стороны. Впервые разряд такого типа был осуществлен В.А. Бабенко с соавторами, однако наиболее подробноеисследование разряда было проведено В.М. Шибковым.

В §1 главы V проанализированы различные подходы к построению модели данного типа разряда.Рис. 23. Фотография разряда на поверхности диэлектрической антенны. Давление воздуха P=40 Тор, длительность импульса СВЧ =100 мкс, мощность СВЧволны Wи=40 кВт, поперечные размерыантенны 0.92.1 см2.28Впервые теория разряда, поддерживаемого поверхностной волной распространяющейся вдоль границы плазмы, в газе, граничащем с диэлектрическим полупространством, была предложена Боевым.

Однако в его работах предполагалось, что плотность электронов локально связана с значением напряженностиэлектрического поля, что соответствует относительно большим давлениями нейтралов и малой плотностью электронов. Хотя теория Боева охватывает широкуюобласть параметров плазмы, однако в реальных условиях упомянутых ранее экспериментов плотность электронов на границе антенны и плазмы велика (10 13–1014см–3), а глубина проникновения электромагнитного поля в плазму мала, таким образом баланс энергии в плазме оказывается нелокальным.

Кроме того, теории, неучитывающие процессов переноса, не могут описать процесс установления стационарного состояния разряда от начального возмущения.Основой для построения модели разряда в данной главе является различиев характерных размерах системы – глубина проникновения поля в плазму  многоменьше поперечного размера плазмы l, который в свою очередь много меньшедлины антенны L (последнее условие может не выполняться в разряде низкогодавления (меньше 0.01 Тор) при малых размерах антенны).

Характеристики

Список файлов диссертации