Диссертация (1149790)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиЕЛИСЕЕВ Степан ИвановичМОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА СНЕЛОКАЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙСпециальность 01.04.08 – Физика плазмыДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физ.-мат. наук, доцентАнатолий Анатольевич КудрявцевСанкт-Петербург2017ОглавлениеВведение…………………………………………………………………...Глава 1.
Обзор литературы1.1. Пробойразрядногопромежуткаиусловиесамоподдержания разряда……………………………………1.2. Вольт-амперная характеристика и основные типыразряда постоянного тока…………………………………….1.3. Продольнаяструктуратлеющегоразрядаираспределение основных параметров по длине…………...1.4. Обзор экспериментальных исследований прикатодныхобластей тлеющего разряда постоянного тока…………….1.5. Обзор основных подходов к моделированию тлеющегоразряда постоянного тока…………………………………….1.5.1.
Ранние модели тлеющего разряда…………………..1.5.2. Гидродинамический подход………………………….1.5.3. Кинетический подход: решение уравненияБольцмана……………………………………………...1.5.4. Кинетический подход: метод Монте-Карло………..1.5.5. Самосогласованные кинетические модели……......1.5.6. Гибридный подход…………………………………….1.5.7. Полуаналитические методы…………………………1.6.
Разряды с сетчатым анодом………………………………….Выводы к главе………………………………………………………Глава 2. Моделирование тлеющего разряда с использованиемпростого гибридного подхода2.1. Описание модели………………………………………………2.2. Результаты расчетов – вольт-амперная характеристикаипространственныераспределенияосновныхпараметров……………………………………………………..2.3. Зависимость параметров разряда от давления……………2.4.
Анализ чувствительности модели к значениям входныхпараметров……………………………………………………..Выводы к главе………………………………………………………Глава 3. Баланс энергии медленных электронов3.1. Предварительные расчеты в рамках расширеннойгидродинамической модели в учетом нелокальнойионизации………………………………………………………3.2. Формулировка уравнения баланса энергии медленныхэлектронов в тлеющем разряде……………………………...3.3. Исследование эффективной энергии, привносимойвторичным электроном в группу медленных электронов.3.4. Сопоставление с результатами экспериментальныхизмерений………………………………………………………Выводы к главе………………………………………………………24182122253435414953596370778587919899107108111114121127Глава 4.
Численное моделирование разряда постоянного тока ссетчатым анодом4.1. Описание модели………………………………………………4.2. Результаты расчетов параметров разряда с сетчатыманодом…………………………………………………………...4.3. Исследование самоподдержания разряда с сетчатыманодом…………………………………………………………...4.4. Исследование концепции создания поглощающегоплазменного покрытия на основе разряда с сетчатыманодом…………………………………………………………...Выводы к главе………………………………………………………Заключение………………………………………………………………..Список литературы……………………………………………………...Приложение: таблицы плазмохимических реакций………………...3129133134140148150155172ВведениеДиссертационная работа посвящена вопросам теории и численногомоделирования газовых разрядов постоянного тока, в которых ключевуюроль играют процессы нелокального возбуждения и ионизации.Нелокальная ионизация представляет собой ионизацию, производимуюбыстрыми электронами.
Подобная ионизация характерна для разрядовпостоянного тока с холодным катодом, вблизи которого формируется слойположительного объемного заряда [1,2]. Примерами таких разрядов служатклассические тлеющие разряды [3], разряды с полым катодом [4,5] и разрядыс сетчатым анодом (также иногда называемые «открытыми разрядами» [6,7]).Нелокальной данная ионизация называется по той причине, что еехарактерной особенностью является независимость от локальных значенийпараметров разряда (напряженности электрического поля или температурыэлектронов).Нелокальнаяионизацияявляетсяопределяющимпроцессомобразования заряженных частиц в прикатодных областях тлеющего разряда –катодном слое, плазме отрицательного свечения и фарадеевом темномпространстве.Экспериментальноеисследованиепараметровплазмыотрицательного свечения показывают, что электрическое поле в этой областислабо (иногда даже меняет знак) [8,9], температура электронов низкая [10], инаблюдаемые высокие значения (по сравнению с положительным столбом)концентрацииэлектроновнемогутподдерживатьсялокальнымиионизационными процессами.
Модели газового разряда на основе локальногоприближения (local-field approximation, LFA) не позволяет получитькорректной качественной картины продольного распределения параметровразряда и его характерной слоистой структуры [11,12]. В связи с этим притеоретическом рассмотрении классического тлеющего разряда, несмотря надавность исследований данного объекта, принципиальным остается вопрос,4связанный с учетом нелокальной ионизации в моделях разрядов постоянноготока.Актуальностьпроблемы.Интенсивноеиспользованиеметодовчисленного моделирования при решении широко круга научных итехнических задач физики газового разряда привело к тому, что численноемоделирование стало неотъемлемой частью технологического процессасоздания различных газоразрядных устройств.
Этим объясняется появлениецелогорядапрограммныхпродуктов,позволяющихпроводитьихмоделирование, оптимизировать конструкцию и проводить различные тестыперед непосредственной реализацией на практике. Данный факт делаетпервостепенно важными вопросы, связанные с корректной формулировкоймоделей газовых разрядов, используемых при проведении численныхэкспериментов.На сегодняшний день наиболее распространенным в практическихрасчетах газоразрядных устройств является гидродинамический подход [12].Описание газового разряда в рамках данного подхода осуществляется припомощи усредненных макроскопических характеристик (концентраций,потоков, средней энергии), изменение которых во времени и пространствеопределяется из решения гидродинамических уравнений баланса.
Вместе суравнением Пуассона и локальным приближением относительно связискоростей возбуждения и ионизации с полем или средней энергиейэлектронов, они образуют самосогласованную систему уравнений. Подходпозволяет проводить численное моделирование различных типов разрядовкак в простейшей одномерной постановке [11,13], так и в сложныхдвумерных [14-17] и трехмерных геометрических конфигурациях [18].Как результат, в последние годы значительно выросло числопубликаций, посвященных численному моделированию различных газовыхразрядов и разрядных устройств с использованием гидродинамическогоподхода.
Однако зачастую правомерность использования данного подхода к5конкретной задаче не обсуждается. Данный вопрос наиболее остро стоит причисленном моделировании устройств, основанных на тлеющем разрядепостоянного тока [12,19-22].Давно известно, что при численном моделировании тлеющего разряданеобходимоучитыватьнелокальныйхарактерпроцессовионизации,обуславливающий возникновение прикатодных плазменных областей –отрицательного свечения и фарадеева темного пространства. Корректныекачественные и количественные результаты моделирования продольнойструктуры тлеющего разряда возможно получить с использованиемразличных кинетических [22,23] и гибридных методов [24,25]. Однако такиеметоды сложны и трудоемки, что затрудняет их широкое распространениепри моделировании практических устройств.
В этом смысле отработкаэффективных и простых методик численного моделирования, позволяющихкорректно и эффективно предсказывать свойства разрядов с нелокальнойионизацией, представляет несомненный практический интерес [26].Также в последнее время особое внимание уделяется газовым разрядамв конфигурациях, в которых один из электродов представляет собой сетку[27-30].Принебольшомрасстояниимеждуэлектродамипроцесснелокальной ионизации будут происходит вне межэлектродной области – впространстве за анодом.
Данная конфигурация теоретически позволяетсоздавать плазму большого объема, что может быть использовано, например,для создания условий экспериментального исследования прохожденияэлектромагнитных волн сквозь плазму.Кроме того, аномальные тлеющие разряды и разряды с сетчатыманодом используются в качестве источника пучков электронов. В последнеевремя определенный интерес вызывает возможность использования пучковэлектронов для создания плазменного покрытия вокруг летательныхаппаратов, которое было бы способно поглощать электромагнитные волны вшироком диапазоне частот [31].6Разряды, в которых значительную роль играют процессы нелокальнойионизации, представляют интерес и с фундаментальной точки зрения. Так,самоподдержание разряда до сих пор зачастую рассматривается на основеклассической модели Энгеля-Штеенбека [32].
Данная модель предполагаетзависимость скорости ионизации от напряженности электрического поля.Ионизация при таком рассмотрении сконцентрирована в катодном слое,который в этом случае представляет собой автономную систему. Условиесамоподдержания разряда тогда представляет собой критерий пробояТаунсенда. Такое рассмотрение не учитывает приход ионов, рождающихся врезультате нелокальной ионизации в области отрицательного свечения,которые могут вносить существенный вклад в самоподдержание разряда.
Вслучае аномального тлеющего разряда толщина катодного слоя и доляприходящейся на него ионизации малы. Поэтому подавляющее число ионов,попадающих на катод, рождаются именно в плазме отрицательногосвечения [3].Учет вклада ионов, приходящих из плазмы, в самоподдержаниеразряда, имеет непосредственное значения для моделирования разрядов ссетчатым анодом, в котором нелокальная ионизация происходит во внешнейобласти. Механизм самоподдержания данного разряда являлся одним изцентральных вопросов в истории его исследования.
Самосогласованноеописание разряда с сетчатым анодом на сегодняшний день отсутствует.Создание подобной модели и проведение с ее помощью численныхэкспериментов представляет несомненный интерес для углубления нашегопонимания механизма данного разряда, что несомненно позволит найти емубольше применений.7Степень разработанности темы исследования. Общие принципы иосновные подходы к численному моделированию газовых разрядов былисформулированы в 80-90 гг. прошлого века.
К этому моменту развитиекомпьютерной техники позволило исследовательским центрам получитьдоступ к мощным вычислительным кластерам, способным относительнобыстро проводить трудоемкие расчеты. В последние несколько десятилетийсущественный вклад в развитие методов численного моделирования газовогоразряда внесли Ж. П. Бёф, Д. Б. Грэйвс, Л. Пичфорд, З. Донко, Г.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
