Автореферат (1149788), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Поскольку гибридные подходыоснованы на разделении электронов на группы быстрых и медленных и используютгидродинамический подход для описания группы медленных, корректная формулировкабаланса энергии электронов в рамках гибридных подходов также должна учитывать эторазделение. Так, баланс должен быть записан только для группы медленных электронов,имеющих максвелловское распределение по энергии. Энергия, получаемая электронами вэлектрическом поле, поступает в группу быстрых электронов, влияние которых в простойгибридной модели заключено в источник нелокальной ионизации. В плазме поле мало именяет знак, его вкладом в баланс энергии медленных электронов можно пренебречь.Поэтому в случае короткого тлеющего разряда джоулевым нагревом в уравнении балансаможно пренебречь во всем разрядном промежутке.

Определяющими источниками нагреваи охлаждения ансамбля медленных электронов тогда являются потери энергии приупругих соударениях с нейтральными атомами и нагрев при кулоновских столкновениях свторичными электронами, образующимися в результате ионизации атомов быстрыми.Проведенный анализ усредненного подхода к описанию нагрева вторичнымиэлектронами показал чувствительность результатов расчетов к параметрам группыбыстрых электронов, а именно их средней энергии. На основе простых кинетическихпредставлений была предложена эмпирическая формула для описания эффективнойэнергии, привносимой вторичным электроном в ансамбль медленных: eff  Rs   0где ee d   d 0     1ea eediff– энергия электрона, Rs    – энергетическое распределение источника вторичныхэлектронов, ee ,  ea - частоты электрон-электронных и упругих столкновений,  diff 9характерное время диффузионных потерь,  2me / M a , где me , M a - массы электрона инейтрального атома, соответственно.Было показано, что предложенная формула хорошо согласуется с полученной наоснове детального кинетического описания вторичных электронов, в то время какусредненный подход дает в значительной степени завышенные значения.Сопоставление результатов моделирования разряда с имеющимися в литературеэкспериментальными данными по ВАХ разряда (Рис.

3) и зондовыми измерениямиконцентрации и температуры электронов (Рис. 4) в широком диапазоне давлений и токовпоказали хорошее согласие, что позволяет утверждать, что задача формулировки балансаэнергии медленных электронов в плазме была решена.Рисунок 3. Сопоставление ВАХ, рассчитанных с использованием подхода, реализованного в работе,и полученных экспериментально в [12].В ходе расчетов была получена экспериментально наблюдаемая тенденцияувеличения концентрации электронов в плазме с уменьшением давления при постояннойвеличине тока разряда (Рис.

4а). В рамках сформулированной модели было данообъяснение наблюдаемому эффекту. Было показано, что для данной разряднойконфигурации и газа произведение концентрации на температуру электронов слабозависит от давления и определяется разрядным током. Уменьшение давления при данномтоке приводит к уменьшению значения эффективной энергии, привносимой вторичнымэлектроном в ансамбль медленных, что приводит к общему уменьшению нагревамедленных электронов и меньшим значениям их температуры (Рис.

4б), что, в своюочередь, ведет к повышению концентрации.10Рисунок 4. Сопоставление параметров, рассчитанных с использованием разработанного подхода иполученных в [12] с помощью зондовых измерений. а) – концентрация электронов, б) – температураэлектронов.В четвертой главе была продемонстрирована возможность использованияпростого гибридного подхода для моделирования разряда с сетчатым анодом(конфигурация электродов представлена на Рис. 5), представляющего особый интерес сточки зрения современных приложений.Рисунок 5.

Конфигурация разряда с сетчатым анодом. 1 – катод, 2 – сетка анода, 3 –диэлектрическое стекло.В ходе расчетов параметров разряда был получен ряд интересных результатов.Так, при рассмотрении разряда с сетчатым анодом в гелии было обнаружено, чтопространство за анодом, в зависимости от разрядного тока, может играть роль какисточника ионов, вносящих значительный вклад в поддержание разряда при данномнапряжении, так и балластной камерой, не влияющей на ВАХ разряда.

Данноеобстоятельство обусловлено смещением катодного слоя внутрь межэлектродногопромежутка и образованием плазмы в этой области, которое влечет за собой обращениеэлектрического поля, запирающего ионы, приходящие сквозь сетку из области за анодом.11Ввиду небольшого числа предположений в модели данный результат может бытьотносительно нетрудно проверен на эксперименте.300Напряжение [В]250прозрачность 0%200150прозрачность 70%1002468101214Плотность тока [мА/см 2]Рисунок 6. Сопоставление рассчитанной ВАХ разряда с сетчатым анодом с ВАХ разряда, сеткаанода которого была виртуально «закрыта».

Обведены точки, для которых был проведенсопоставительный анализ параметров разряда.Также была рассмотрена возможность использования разряда с сетчатым анодомдля создания плазменных покрытий, способных поглощать электромагнитные волны вшироком диапазоне частот. Для этого были проведены расчеты разряда в воздухе. Анализструктуры разряда показал, что профили концентрации электронов подобны профилямионизации. С одной стороны, данное обстоятельство говорит в пользу эффективностипоглощения волн плазменным слоем, создаваемым с помощью разряда с сетчатым анодом.С другой стороны, экспоненциальное убывание источника нелокальной ионизацииявляется предположением и может отличаться от реальной ситуации.

В отсутствиирекомбинационных потерь результаты моделирования разряда слабо чувствительны кформе источника, поскольку доминируют потери на стенках разряда, и важным являетсяинтегральное значение ионизации по всему разрядному объему. В случае же, когдарекомбинационные потери значительны, требования к формулировке источникаионизации становятся строже. Однако то обстоятельство, что профиль концентрацииповторяет форму источника, позволяет провести зондовые измерения концентрации12плазмы в разряде с сетчатым анодом в условиях, когда рекомбинация значительна, иполучить экспериментальные данные касательно формы источника ионизации.Рисунок 7.

Пространственные распределения параметров разряда в воздухе при p = 10 Торр,d = 1 мм, U = 1 кВ. (а) –концентрации заряженных частиц, (б) – скорости реакций.Полученные в ходе расчетов профили концентрации электронов использовалисьдля расчета поглощения электромагнитных волн. Анализ полученных результатов показалэффективное поглощение волн в широком диапазоне частот, что делает такой разрядперспективным для использования в качестве метода создания поглощающих плазменныхпокрытий.В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в ходеработы и представленные в диссертации, приведены основные выводы.Заключение1.2.3.4.5.Был разработан простой гибридный подход к моделированию разрядов постоянноготока с аналитической формулировкой источника нелокальной ионизации быстрымиэлектронами.

Было показано, что подход способен воспроизвести все основныесвойства тлеющего разряда постоянного тока.Сформулировано корректное уравнение баланса энергии медленных электронов,учитывающее нагрев при кулоновских столкновениях с вторичными электронами,образованными в результате ионизации быстрыми.Сопоставление результатов с имеющимися в литературе экспериментальнымиданными о ВАХ короткого тлеющего разряда и результатами зондовых измеренийпараметров плазмы – концентрации и температуры электронов, показало хорошеесогласие.В рамках сформулированной модели было дано объяснение наблюдаемой наэксперименте тенденции увеличения концентрации электронов с уменьшениемдавления газа в коротком тлеющем разряде.Впервые была сформулирована самосогласованная модель разряда с сетчатыманодом, с помощью которой было проведено исследование влияния прихода ионов изплазмы, образующейся в области за анодом.

Также было проведено исследование136.возможности использования разряда с сетчатым анодом для создания поглощающихплазменных покрытий.Развитый в работе простой гибридный подход в предложенной формулировке можетс уверенностью использоваться при численном моделировании тлеющих разрядов,разрядов с сетчатым анодом, полых катодов и других разрядов, в которыхдоминирующую роль играет нелокальная ионизация, а также основанных на нихгазоразрядных устройствах.Список опубликованных работ1.Eliseev S. I., Demidov E. V., Bogdanov E.

A., Kudryavtsev A. A., Spatial distribution ofparameters in normal micro-DC glow discharge in air //IEEE Transactions on PlasmaScience. – 2014. – Т. 42. – №. 10. – С. 2560-2561.2. Demidov E. V., Eliseev S. I., Bogdanov E. A., Kudryavtsev A. A., Gas heating and transitionto obstructed mode in DC glow microdischarge in air //IEEE Transactions on PlasmaScience. – 2014. – Т.

42. – №. 10. – С. 2558-2559.3. Xia G., Chen Z. Saifutdinov A. I., Eliseev S. I., Hu Y., Kudryavtsev A. A., Longermicrowave plasma jet with different discharge performances originated by plasma–surfaceinteractions //IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. – Т. 42. – №. 10. – С. 27682769.4. Liu H., Li M., Ning Z., Ren J., Tang H., Yu D., Demidov E. V., Eliseev S. I., KudryavtsevA. A., 2-D modeling of orificed hollow cathodes of stationary plasma thrusters spt-100//IEEE Transactions on Plasma Science. – 2015. – Т. 43. – №. 12. – С. 4024-4033.5. Li M., Liu H., Ning Z., Ren J., Tang H., Yu D., Demidov E.

V., Eliseev S. I., KudryavtsevA. A., 2-D extended fluid model of applied-field magnetoplasmadynamic thruster with solidand hollow cathodes //IEEE Transactions on Plasma Science. – 2015. – Т. 43. – №. 12. – С.4034-4042.6. Chen Z., Xia G., Zou C., Li P., Hu Y., Ye Q., Eliseev S. I., Stepanova O. M., SaifutdinovA. I., Kudryavtsev A. A., Liu M., Study on hairpin-shaped argon plasma jets resonantlyexcited by microwave pulses at atmospheric pressure //Journal of Applied Physics. – 2015.– Т. 118.

– №. 2. – С. 023307(1-9).7. Eliseev S. I., Kudryavtsev A. A., Bogdanov E. A., Comment on “Effect of the electronenergy distribution on total energy loss with argon in inductively coupled plasmas”[Phys.Plasmas 22, 013501 (2015)] //Physics of Plasmas. – 2015. – Т. 22. – №. 4. – С. 044701.8. Li M., Liu H., Ning Z., Ren J., Tang H., Yu D., Eliseev S. I., Kudryavtsev A. A., DesignOptimization of Magnetoplasmadynamic Thruster Using Numerical Methods //HighTemperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology PlasmaProcesses. – 2014.

Характеристики

Список файлов диссертации