Диссертация (1149790), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Дж. M.Хагелаар, A. Богаерц. На сегодняшний день методика численногомоделирования тлеющего разряда отработана достаточно хорошо, и задачаполучения на расчете структуры тлеющего разряда в плоскопараллельнойгеометрии на качественном уровне в принципе решена (как в одномерной,так и в двумерной постановке).
В то же время практически важной являетсяразработка подходов, которые были бы гибкими, эффективными и позволялибы получать точные количественные оценки при рассмотрении различныхгеометрических конфигураций электродов и газоразрядных камер.Гидродинамическийподход,широкоиспользующийсядлямоделирования различных типов газовых разрядов и газоразрядныхустройств, в принципе отвечает этим требованиям. Однако тот факт, что вего основе лежит предположение о локальной связи между частотойионизации и параметрами плазмы, делает по меньшей мере сомнительнымего использование для моделирования тлеющего разряда.Наиболее перспективным с точки зрения эффективности являетсяпростой гибридный подход с аналитической формулировкой источниканелокальной ионизации [3,26].
Сравнение результатов использованияданного подхода при моделировании тлеющего разряда с другими подходамипоказалоегохарактеристикиспособностьтлеющегонакачественномразряда.Однакоуровневоспроизводитьоставаласьнеяснойчувствительность метода к численным значениям входных параметров.8Такжетребует особоговнимания формулировкауравнения балансамедленных электронов, в частности учет нагрева медленных электронов прикулоновских столкновениях с вторичными электронами, родившимися врезультатеионизациибыстрыми.Поэтомунеобходимопроведениеэкстенсивной валидации простого гибридного подхода – сопоставлениярезультатов расчетов с экспериментальными данными в широком диапазонеусловий.
Идеальным объектом для отработки методики, ввиду значительногоколичества как экспериментальных, так и численных исследований,представляется короткий (без положительного столба) тлеющий разряд.Как уже отмечалось, другим типом разряда, в котором ключевую рольиграет нелокальная ионизация, является разряд с сетчатым анодом. При этом,в отличие от классического тлеющего разряда, самосогласованной моделиразряда с сетчатым анодом на сегодняшний день не существует.Направленность экспериментальных и теоретических исследований данногообъекта во многом определялась следующими факторами. Во-первых,основным применением данного разряда долгое время считалась генерацияпучков электронов для накачки лазеров [6,33]. Следовательно, особоевниманиеуделялосьувеличениюэффективностигенерациипучкаэлектронов.
Во-вторых, немало споров вызывал механизм самоподдержанияподобного разряда. В частности, утверждалось, что основным процессомэмиссии электронов с поверхности катода в таком разряде является невторичная ионная эмиссия, а фотоэмиссия [6,33]. И хотя на сегодняшнийдень имеется больше фактов, опровергающих данную гипотезу [34], чемподтверждающих, в недавних работах вновь утверждается фотоэмисионныймеханизм самоподдержания подобного разряда [28,29]. В связи с этимразработка численной модели разряда с сетчатым анодом представляетнесомненный интерес.На основе изложенных рассуждений была выбрана цель работы.9Цель работы.
Целью работы является создание и отработка численныхмоделей разрядов с нелокальной ионизацией. Эти модели должны бытьлогически непротиворечивы, самосогласованы и воспроизводить основныесвойства разрядов, наблюдаемые на эксперименте. Созданные моделидолжны быть самостоятельными инструментами, позволяющими проводитьисследование и отвечать на актуальные вопросы, стоящие перед физикойразрядов постоянного тока.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:– осуществить численную реализацию простого гибридного подходаописания разрядов с нелокальной ионизацией;– сформулировать баланс энергии медленных электронов в плазмеотрицательного свечения, выявить основные источники нагрева и потериэнергии, сформулировать нагрев медленных электронов при кулоновскихстолкновениях с вторичными (родившимися в результате ионизациибыстрыми электронами), определить влияние внешних параметров навеличину этого источника нагрева, встроить уравнение баланса энергий вранее созданную численную реализацию метода;– провести расчет параметров короткого тлеющего разряда в широкомдиапазоне давлений и разрядных токов, сопоставить результаты симеющимися экспериментальными и расчетными данными, провести анализзависимостей свойств разряда от давления и разрядного тока;– построить численную модель разряда с сетчатым анодом, провестирасчет основных параметров разряда для различных типов и давлений газов,исследовать механизмы самоподдержания разряда;– построить численную модель источника плазмы в воздухе средних ивысоких давлений, определить эффективность его использования длясоздания поглощающего плазменного покрытия.10Научная новизна.1.
Корректнаяформулировкауравнениябаланса энергиимедленныхэлектронов и учет кулоновских столкновений в простом гибридномподходепозволилидобитьсяхорошегосогласиясрезультатамиэкспериментальных измерений в широком диапазоне давлений газа иразрядных токов.2.
Наблюдаемая на эксперименте тенденция увеличения концентрацииэлектронов с уменьшением давления газа в коротком тлеющем разрядебыла получена в расчете. В рамках сформулированной модели данообъяснение наблюдаемому эффекту.3. Была впервые сформулирована самосогласованная численная модельразряда с сетчатым анодом.4. Сопоставление расчетов, полученных для сетчатого и сплошного анодов,показали, что при увеличении тока, когда толщина катодного слоястановится меньше длины межэлеткродного промежутка, плазма вовнешней области перестает оказывать влияние на самоподдержаниеразряда.Объяснениенаблюдаемомуэффектудановрамкахсформулированной модели.5. Проведены расчеты источника плазмы в воздухе среднего и высокогодавления на основе разряда с сетчатым анодом.
Анализ коэффициентовпрохождения электромагнитной волны сквозь плазму с пространственнымпрофилем, взятым из расчета, показал, что данный объект теоретическиможет служить эффективным поглотителем электромагнитных волн вшироком диапазоне частот.Теоретическая и практическая значимость.1. Показано, что корректная формулировка уравнения баланса энергиимедленных электронов и учет нагрева за счет кулоновских столкновенийпринципиальноважныдляполучениянадежныххарактеристик тлеющего разряда постоянного тока.11количественных2. Сформулированный баланс энергии медленных электронов может бытьпросто интегрирован в классические гибридные схемы с описаниембыстрых электронов методом Монте-Карло.3.
Показано, что простой гибридный подход является эффективным методомрасчета разрядов постоянного тока, дающим хорошее согласие срезультатами экспериментальных измерений.4. Получен ряд интересных результатов, мотивирующих на проверку наэксперименте, а именно слабая зависимость произведения концентрациина температуру электронов neTe в плазме отрицательного свечения отдавления и вытекающие отсюда следствия, роль приходящих из плазмыионов в самоподдержании разряда с сетчатым анодом, а также подобиепрофилей концентрации плазмы и источника нелокальной ионизации приусловиях,когдарекомбинационнаягибельзарядовявляетсядоминирующей.5.
Созданная модель разряда постоянного тока с сетчатым анодом можетиспользоватьсядлямоделированияконкретныхустройств,чтопродемонстрировано на примере использования разряда для созданияпоглощающего плазменного покрытия.Методология и методы исследования. Аналитическая формулировканелокальногоисточникаионизациибылаинтегрированавсистемугидродинамических уравнений. Сформулированная система уравнений исоответствующие граничные условия были реализованы в программномпакете численного моделирования COMSOL Multiphysics [146]. Верификациякорректностиреализациипроводиласьпутемсравнениясранееопубликованными результатами расчетов, полученных с использованиемэтого метода. Верификация простого гибридного метода проводилась путемсравнения результатов расчетов с полученными другими методами.Валидация расчета осуществлялась путем сравнения результатов расчетов симеющимися в литературе данными зондовых измерений параметров плазмы12короткого тлеющего разряда в аргоне.
Во всех процедурах верификации ивалидации метода моделирование осуществлялось в одномерной постановке,соответствующей простейшему случаю плоскопараллельной конфигурацииэлектродов, радиус которых значительно превышает расстояние между ними.Для моделирования разряда с сетчатым анодом были сформулированыспециальные граничные условия прозрачности, позволившие рассматриватьразряд в одномерной постановке. Расчеты разряда проводились в гелии придавления 15 Торр и в воздухе при давлениях 10, 25 и 50 Торр.Основные положения, выносимые на защиту:1.
Показано, что простой гибридный подход способен воспроизводитьосновныесвойствакороткоготлеющегоразряда.Наблюдаетсячувствительность результатов расчетов к значению параметров модели,в особенности к значению температуры электронов в плазме.2. Формулировка уравнения баланса энергии медленных электронов длягибридных моделей тлеющего разряда постоянного тока.3. Формулировка выражения для эффективной энергии, привносимойвторичным электроном в ансамбль медленных электронов.4. Валидацияпростогогибридногоподходасбалансомэнергиимедленных электронов путем сопоставления с имеющимися влитературе экспериментальными данными в широком диапазонедавлений и токов.5.
Объяснениетенденцииврамкахувеличениямоделиэкспериментальноконцентрацииэлектроновнаблюдаемойвплазмесуменьшением давления и постоянном токе разряда.6. Формулировка самосогласованной модели разряда с сетчатым анодом.7. Результаты численного исследования самоподдержания разряда ссетчатым анодом и роли ионов, приходящих из плазмы в пространствеза анодом.138. Метод оценки эффективности создания поглощающего плазменногопокрытия с использованием разряда с сетчатым анодом.Реализациярезультатовработы.Результатыдиссертационнойработы были использованы при выполнении научно-исследовательскихработ по темам НИР № 11.53.1166.2014, 11.37.212.2016, выполняемым вСПбГУ, в учебном процессе для магистрантов и аспирантов на кафедреоптикиСПбГУ,атакжевходесотрудничествасХарбинскимПолитехническим Университетом, в частности при совместной разработкеэкспериментальнойустановкипоисследованиюпрохожденияэлектромагнитных волн сквозь плазму.Достоверность полученных результатов обеспечивается тщательнойверификацией и валидацией используемого подхода, скрупулезным анализоми регулярным обсуждением результатов с ведущими специалистами вобласти численного моделирования газового разряда.Личный вклад автора определяется участием в постановке задачисследования, разработке и реализации численного подхода, проведениичисленных и теоретических исследований, обработке и анализе полученныхданных, анализе литературы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
