Автореферат (1149788), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Был выполнен расчет коэффициентовпрохождения электромагнитных волн с учетом формы пространственногораспределения концентрации плазмы. Анализ показал, что создаваемая с помощьюразряда с сетчатым анодом плазма способна эффективно поглощатьэлектромагнитные волны в широком диапазоне частот.Теоретическая и практическая значимость.1.2.3.4.Показано, что корректная формулировка уравнения баланса энергии медленныхэлектронов и учет нагрева за счет кулоновских столкновений принципиально важныдля получения надежных количественных характеристик тлеющего разрядапостоянного тока.Сформулированный баланс энергии медленных электронов может быть интегрированв классические гибридные схемы с описанием быстрых электронов методом МонтеКарло.Показано, что простой гибридный подход является эффективным методом расчетаразрядов постоянного тока, дающим хорошее согласие с результатамиэкспериментальных измерений.Получен ряд новых результатов, мотивирующих на проверку на эксперименте, аименно слабая зависимость произведения концентрации на температуру электронов в45.плазме отрицательного свечения от давления и вытекающие отсюда следствия, рольприходящих из плазмы ионов в самоподдержании разряда с сетчатым анодом, а такжеподобие профилей концентрации плазмы и источника нелокальной ионизации приусловиях, когда рекомбинация является доминирующим механизмом гибелизаряженных частиц.Созданная модель разряда постоянного тока с сетчатым анодом может использоватьсядля моделирования конкретных устройств, что продемонстрировано на примереиспользования разряда для создания поглощающего плазменного покрытия.Методология и методы исследования.

Аналитическая формулировканелокального источника ионизации была интегрирована в систему гидродинамическихуравнений. Сформулированная система уравнений и соответствующие граничные условиябыли реализованы в программном пакете численного моделирования COMSOLMultiphysics. Верификация корректности реализации проводилась путем сравнения с ранееопубликованными результатами расчетов, полученных с использованием этого метода.Верификация простого гибридного метода проводилась путем сравнения результатоврасчетов с полученными другими методами. Валидация расчета осуществлялась путемсравнения результатов расчетов с имеющимися в литературе данными зондовыхизмерений параметров плазмы короткого тлеющего разряда в аргоне. Во всех процедурахверификации и валидации метода моделирование осуществлялось в одномернойпостановке, соответствующей простейшему случаю плоскопараллельной конфигурацииэлектродов, радиус которых значительно превышает расстояние между ними.

Длямоделирования разряда с сетчатым анодом были сформулированы специальные граничныеусловия прозрачности, позволившие рассматривать разряд в одномерной постановке.Расчеты разряда проводились в гелии при давлении 15 Торр и в воздухе при давлениях 10,25 и 50 Торр.Основные положения, выносимые на защиту:1.2.3.4.Демонстрация эффективности разработанного простого гибридного подхода длямоделированияпараметровкороткоготлеющегоразряда.Анализчувствительности результатов расчетов к значению параметров модели, в томчисле к значению температуры электронов в плазме.Формулировка уравнения баланса энергии медленных электронов для гибридныхмоделей тлеющего разряда постоянного тока.Формулировка выражения для эффективной энергии, привносимой вторичнымэлектроном в ансамбль медленных электронов.Валидация простого гибридного подхода с балансом энергии медленныхэлектроновпутемсопоставлениясимеющимисявлитературеэкспериментальными данными в широком диапазоне давлений и токов.55.6.7.8.Объяснение в рамках модели экспериментально наблюдаемой тенденцииувеличения концентрации электронов в плазме с уменьшением давления ипостоянном токе разряда.Формулировка самосогласованной модели разряда с сетчатым анодом.Результаты численного исследования самоподдержания разряда с сетчатыманодом и роли ионов, приходящих из плазмы, образующейся в пространстве заанодом.Метод оценки эффективности поглощающего плазменного покрытия сиспользованием разряда с сетчатым анодом.Достоверность полученных результатов обеспечивается верификацией ивалидацией используемого подхода расчета параметров разряда, тщательным анализом ирегулярным обсуждением результатов с ведущими специалистами в области численногомоделирования газового разряда.Апробация полученных результатов.

Результаты диссертационной работыбыли доложены на конференциях:- 40th European Physical Society Conference on Plasma Physics, Espoo, Finland, July 1-5,2013.- XXXI International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Granada, Spain,July 14-19, 2013.- 66th Annual Gaseous Electronics Conference, Princeton, New Jersey, United States ofAmerica, September, 30 – October, 4, 2013.- 41ая Звенигородская Конференция по физике плазмы и управляемомутермоядерному синтезу, Звенигород, Россия, Февраль, 4 – 9, 2014.- 67th Annual Gaseous Electronics Conference, Raleigh, North Carolina, United States ofAmerica, November 2 – 7, 2014.- 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Bulletin of the AmericanPhysical Society, Savannah, Georgia, United States of America, November 16–20, 2015.- 42th European Physical Society Conference on Plasma Physics.

Leuven, Belgium, July 4 –9, 2016.- Всероссийская (с международным участием) конференция по физикенизкотемпературной плазмы ФНТП-2017, Казань, Россия, 5-9 июня, 2017.- 39th PIERS (Progress in electromagnetic research), Singapore, November, 19-22, 2017.Публикации. Автор имеет 17 опубликованных работ, из них входящих вперечень ВАК и индексируемых в базе Scopus – 16, по теме диссертации – 10.Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав,заключения, списка литературы, включающего 146 наименований, и приложения.Диссертация изложена на 172 страницах, содержит 39 рисунков и 2 таблицы.6ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫПервая глава является обзорной, в ней представлено описание свойствтлеющего разряда, проведен обзор экспериментальных и основных теоретических ичисленных работ, посвященных исследованию прикатодных областей тлеющего разряда(катодного слоя, отрицательного свечения и фарадеева темного пространства).

Былисформулированы основные экспериментальные факты, которые должны быть учтены припостроении моделей тлеющего разряда. Проведенный анализ работ, посвященныхчисленному моделированию тлеющего разряда постоянного тока, показал, что, несмотряна наличие качественного понимания процессов, проходящих в тлеющем разряде иобуславливающих его структуру, определенную научную ценность представляют подходык описанию разряда, позволяющие получать описание его параметров на количественномуровне. Данное обстоятельство во многом обусловлено широким применением напрактике, которое получили газовые разряды в конце прошлого века, и необходимостьюпроведения именно количественных оценок при разработке газоразрядных устройств.Наиболее подходящим для описания тлеющего разряда в литературе принятосчитать гибридный подход, совмещающий в себе гидродинамическое описание для ионови медленных электронов и описание быстрых электронов методом Монте-Карло [14].Нерешенной остается задача учета баланса энергии медленных электронов [12].

Егокорректная формулировка в рамках гибридного подхода позволила бы добиться высокойнадежности расчетов параметров разряда. В то же время гидродинамический подход,широко используемый для моделирования различных типов разрядов и газоразрядныхустройств, в принципе позволяет получить правдоподобные на качественном уровнепараметры разряда [1]. Данное обстоятельство выдвигает серьезные требования к инымподходам описания разряда, поскольку эффективность и гибкость модели являютсяодними из главных факторов при практических расчетах газоразрядных устройствсложной конфигурации.В связи с этим в литературе отмечается простой гибридный подход,совмещающий эффективность гидродинамического с корректным учетом нелокальнойионизации, основанным на аналитической формулировке источника ионизации [16,17].Предварительные результаты показали перспективность данного подхода [16].

Длядальнейшего развития необходима унифицированная формулировка модели сопределением основных параметров; корректная формулировка баланса энергиимедленных электронов; проведение анализа чувствительности результатов расчетов кзначениямпараметровмодели;сопоставлениерасчетовсрезультатамиэкспериментальных измерений в широком диапазоне условий.После валидации простой гибридный подход может быть применен для описанияразряда с сетчатым анодом. Имеющиеся на сегодняшний день данные о его свойствахнемногочисленны. В то же время тлеющий разряд с сетчатыми электродами в последнеевремя начали использовать в качестве источника плазмы значительного объема в качествелабораторной модели плазмы, возникающей на поверхности космического аппарата при7его вхождении в верхние слои атмосферы.

Данные обстоятельства обуславливаютцелесообразность дальнейшего развития простого гибридного подхода и делают задачучисленного моделирования разряда с сетчатым анодом интересной как с фундаментальной,так и с прикладной точки зрения.Во второй главе представлено описание простого гибридного подхода, а такжерезультаты его использования для расчета основных параметров короткого тлеющегоразряда – вольт-амперных характеристик (ВАХ, Рис. 1а) и пространственныхраспределений основных величин, описывающих протекание тока и формированиеплазмы.Рисунок 1. Параметры разряда в аргоне при p = 3 Торр и L = 1 см (простой гибридный подход).а) – ВАХ разряда б) – концентрации заряженных частиц и скорость нелокальной ионизации приj = 1.33 мА/см2.Рисунок 2.

Параметры разряда в аргоне при p = 3 Торр и L = 1 см, j = 1.33 мА/см2.а) – электрический потенциал и напряженность электрического поля, б) – компоненты плотноститока.Показано, что разработанный и практически реализованный в работе простойгибридный подход позволяет получить основные свойства тлеющего разряда –распределения концентраций заряженных частиц (Рис. 1б), образующих областикатодного слоя и плазмы отрицательного свечения; распределения поля и8электростатического потенциала (Рис.

2а), наличие точки обращения поля; распределениякомпонент тока вдоль разряда (Рис. 2б); сокращение областей разряда при увеличениидавления газа.Анализ чувствительности модели к значениям параметров показал, что значениятемпературы медленных электронов и спада источника нелокальной ионизации заметновлияют на результаты расчетов.

Поэтому для улучшения надежности модели предложеновыражение, хорошо согласующееся с результатами расчетов разряда с использованиемметода Монте-Карло для получения источника ионизации быстрыми электронами. Длянахождения температуры электронов предложено дополнить модель уравнением балансаэнергии медленных электронов.В третьей главе показано, что использование уравнения баланса энергииэлектронов в том виде, в каком он записан в расширенном гидродинамическом подходе, вслучае гибридного подхода является некорректным.

Характеристики

Список файлов диссертации