Диссертация (1103382), страница 15
Текст из файла (страница 15)
33 Характерный вид динамики параметров моделирования во второй серииэкспериментовВидно, что в данном случае удалось реализовать самостоятельное зажигание разрядабез подбора начального распределения компонент плазмы, близкого к стационарномурешению. Вместо погасания разряда из-за недостатка плотности плазмы, как этослучалось в первой серии численных экспериментов, вынужденный рост напряженияразряда привел к повышению энергии электронов, увеличению скорости ионизации илавинообразному росту концентрации плазмы. Далее напряжение разряда с ростом токаавтоматически снизилось и в конце концов установилось на некотором стационарномзначении. Такой способ моделирования существенно упрощает процедуру проведениячисленного эксперимента и реализует более адекватную картину процессов, протекающихв ГРК ИД.На Рис.
34 показано сравнение результатов второй серии численных экспериментовс экспериментальными данными. В данном случае ток разряда задавался исходя изэкспериментальных данных, а величина напряжения разряда получалась как один изпараметров решения. Анализ сравнения результатов показал хорошее соответствие.77Рис. 34 Сравнение результатов второй серии моделирования с экспериментальнымиданнымиВерхние диаграммы на Рис. 32 и Рис.
34 соответствуют режимам, в которых формасиловых линий магнитного поля не изменялась, изменялась только величина поля. Нанижних диаграммах показаны режимы, в которых при постоянной величине тока вмагнитныхкатушкахменяласьформакатодногополюсногонаконечникаи,соответственно, форма магнитных силовых линий.
При этом в каждом случае модельхорошо воспроизвела общую тенденцию изменения параметров, хотя и имеет местонекоторое отклонение расчетных данных от экспериментальных. Это говорит о том, чтомодель хорошо воспроизводит физику процессов, протекающих в ГРК ИД, несмотря напринятые в ней упрощения.Хотя результаты обеих серий показали хорошее соответствие экспериментальнымданным, вторая серия была существенно проще в осуществлении, поскольку в модель былдобавлен самосогласованный механизм, регулирующий горение разряда.785.4 Распределения параметров плазмыНаприводимыхнижерисункахполученныевпроцессемоделированияраспределения для наглядности дополнены зеркальным отражением относительно осисимметрии. На Рис.
35 показано распределение нейтрального газа в областимоделирования. На рисунке по максимумам концентрации видно расположение катода игазораспределителя, служащих источниками газа. Область минимальной концентрациивблизи оси симметрии в середине газоразрядной камеры соответствует ядру ионизации.Рис. 35 Распределение концентрации нейтрального газа в ГРК ИД-50 (м-3)Распределение концентрации ионов представлено на Рис. 36.
Концентрация ионовмаксимальна в центре области моделирования, что обуславливается интенсивностьюионизации в этом месте.79Рис. 36 Распределение концентрации ионов в ГРК ИД-50 (м-3)Приведенное на Рис. 37 распределение концентрации электронов близко краспределению концентрации ионов. Это означает, что в процессе моделирования хорошосохраняется квазинейтральность плазмы, что служит косвенным подтверждениемкорректности моделирования.Рис.
37 Распределение концентрации электронов в ГРК ИД-50 (м-3)Квазинейтральность плазмы нарушается на краях области моделирования, формируяплазменные слои. На Рис. 38 приведено распределение разности концентраций ионов и80электронов. Из рисунка видно, что в середине области разность концентраций близка кнулю.Рис. 38 Распределение разности концентраций заряженных частиц в ГРК ИД-50 (м-3)Для того чтобы оценить относительную величину разделения положительных иотрицательных зарядов, на Рис. 39 представлено распределение приведенного нарушенияквазинейтральности, вычисленного как ni ne ni . Этот рисунок демонстрируетплазменные слои, сформировавшиеся в местах взаимодействия плазмы со стенками.Рис.
39 Распределение приведенной разности концентраций заряженных частиц вГРК ИД-5081Распределение плотности заряженных частиц формирует внутри газоразряднойкамеры определенное распределение потенциала электрического поля, представленное наРис. 40. Структура потенциала имеет некое «плато» в области квазинейтральности,ограниченное слоями падения потенциала к аноду, эмиссионному электроду и другимграницам. Для наглядного представления структуры этого распределения можнопредставить его в виде поверхности (Рис.
41).Рис. 40 Распределение потенциала электрического поля (В)Рис. 41 Распределение потенциала электрического поля (В)82Структура потенциала электрического поля в газоразрядной камере определяетповедение первичных электронов, эмитированных катодом. Процессы набора и потериэнергии этими частицами отвечают за ионизацию атомов нейтрального газа. Можновыделить некоторую условную траекторию от катода к аноду, проходящую черезцентральную часть ГРК, как это показано на Рис. 40.
Распределение потенциалаэлектрического поля вдоль этой траектории имеет вид, показанный на Рис. 42.Рис. 42 Структура потенциала электрического поля (В) на траектории катод-анод (м)Сравнение распределения электрического потенциала, полученного в результатемоделирования [91], с результатами зондовой диагностики [92] показывает хорошеесовпадение. В верхней части Рис. 43 приведены результаты эксперимента, в нижней –результаты моделирования. Цветовая шкала соответствует величинам от 41 В до 42,8 Втак, чтобы наглядно продемонстрировать структуру потенциала в центральной частикамеры83Рис.
43 Сравнение распределения потенциала электрического поля (В) срезультатами экспериментаОсновным механизмом проводимости электронов к аноду поперек магнитного поляявляются упругие столкновения. В данной модели, помимо непосредственно упругихстолкновений с нейтралами и кулоновских столкновений, учитывалась бомовскаядиффузия. Этот процесс также моделировался с помощью упругих столкновений.Распределение суммарной частоты упругих столкновений приведено на Рис.
44.Рис. 44 Распределение объемной частоты упругих столкновений электронов (с-1м-3)84В отличие от упругих столкновений, неупругие (возбуждение и ионизация атомовксенона) приводят к потере энергии электронной компонентой. На Рис. 45 и Рис. 46представлены распределения частоты этих реакций в ГРК ИД, полученные в ходемоделирования.Рис.
45 Распределение объемной частоты столкновений возбуждения (с-1м-3)Рис. 46 Распределение объемной частоты столкновений ионизации (с-1м-3)Видно, что наиболее интенсивно эти реакции протекают на оси камеры вприкатодной области. Здесь максимальна энергия электронов, их концентрация иконцентрация нейтрального газа.855.5 Особенности электронной компоненты плазмыРаспределение энергии электронной компоненты плазмы (Рис. 47) формируется подвлиянием различных факторов: распределения потенциала электрического поля,структуры приложенного магнитного поля, интенсивности упругих и неупругихстолкновений электронов.
С одной стороны, эти столкновения вызывают потерю энергииэлектронами, с другой – транспорт электронов поперек силовых линий магнитного поляпо направлению к аноду.Рис. 47 Распределение полной энергии электронов в ГРК ИД-50 (эВ)Из вида данного распределения можно заключить следующее. Наибольшей энергиейобладают электроны вблизи катода на оси ГРК. Это вызванно потоком первичныхэлектронов из катодной плазмы, которые набирают высокую скорость, разгоняясь вприкатодном падении потенциала. По мере диффузии от оси камеры по направлению каноду энергия электронной компоненты убывает. Она расходуется по большей части настолкновения с нейтралами.Также на рисунке можно заметить две особенности.
Первая заключается вследующем: на оси камеры присутствуют два ярко выраженных локальных максимумаэнергии. Левый, расположенный вблизи катода, соответствует той точке, в которойпервичные электроны, ускорившись в прикатодном падении потенциала, набираютмаксимальнуюскорость.Наличиевторогоособенностями движения первичных электронов.86локальногомаксимумаобусловленоНа Рис. 48 показаны траектории моноэнергетических первичных электронов,рассчитанные с учетом магнитного поля без учета электрического.
Такие несколькоидеализированные условия позволяют наглядно проиллюстрировать причину образованиявторого локального максимума энергии электронной компоненты. Структура магнитногополя фокусирует пучок первичных электронов в точку второго локального максимумаэнергии, повышая их концентрацию и, соответственно, вклад в среднюю энергию.Рис. 48 Траектории первичных электронов без учета влияния электрического поляВ процессе моделирования (и в реальности) на траектории электронов оказываютвлияние флуктуации электрического поля и различные столкновения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
