Диссертация (1149790), страница 22

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

Текст из файла (страница 22)

Следует отметить работу[140], где авторы исследовали прохождения пучка с энергией 15 кВ исоздание им плазмы в воздухе атмосферного давления. Проведенные расчеты140показали, что таким образом может быть создан слой плазмы толщинойпорядка 1.5 см. Поэтому создание плазменный покрытий толщинойнесколькосантиметровналетательныхаппаратах,находящихсянарасстоянии нескольких километров над землей, представляется выполнимойзадачей.Рисунок 34. Схематическое изображение разрядной конфигурации.

1 – катод,2 – сетчатый анод.Для этих целей может быть использован разряд с сетчатым анодом.Так, представленная на рисунке 34 конфигурация может быт сегментомцелого покрытия, которое может быть установлено на объект достаточносложной формы. Для того чтобы оценить перспективность даннойтехнологии, был проведен ряд расчетов разряда, зажигаемого в приведеннойконфигурации в воздухе при повышенных давлениях (вплоть до 50 Торр) сиспользованием простого гибридного подхода.Для проведения предварительных оценок было решено использоватьупрощенную плазмохимическую модель воздуха, разработанную в [141].Модель предполагает рассмотрение воздуха как смеси молекулярного азота икислорода в соотношении (74:26) и учитывает, помимо нейтральныхмолекул, положительные ионы O2+ и отрицательные ионы O2-, ионами азотапренебрегается по причине высокой скорости их конверсии в ионыкислорода.

Набор реакций, помимо прямой ионизации электронным ударом,141учитывал прилипание и отлипание электронов, ион-ионную и электронионную рекомбинацию, а так же ионизацию медленными электронами.Подвижности и коэффициенты диффузии ионов были взяты из [1],транспортные коэффициенты электронов рассчитывались по формулам 48(а)и 48(б), температура электронов полагалась равной 1 эВ. Списокплазмохимических реакций представлен в Таблице II в приложении.Разряд в воздухе при повышенных давлениях отличается отрассмотренных выше случаев низкого давления тем, что доминирующиммеханизмомгибелизаряженныхчастицявляетсярекомбинацияиприлипание, то есть процессы, протекающие во всем объеме разряда, а не настенках.Рисунок 35.

Пространственные распределения параметров разряда, (а) –концентрации заряженных частиц, (б) – скорости реакций.Нарисунке35представленыпространственныераспределенияпараметров разряда, полученные в ходе расчетов для случая давления p=10 Торр, расстояния между электродамиd =1мм, напряжения наэлектродах Va =1 кВ, коэффициента вторичной эмиссии  =0.01, и длиныпространства за анодомL =1см. На рисунке 35(а) представленопространственное распределение заряженных частиц, на 35(б) – скоростейосновных реакций: ионизации, рекомбинации и прилипания.

Из рисунковвидно, что процессы объемной рекомбинацию доминируют, что приводит к142формированиюлокальногобалансамеждускоростьюионизацииирекомбинации. Это, в свою очередь, приводит к тому, что рассчитанныйпрофиль концентраций подобен профилю источника нелокальной ионизации.Поэтойпричинемаксимумконцентрациинаблюдаетсявнутримежэлектродного промежутка, где ионизация максимальна, и спадает помере продвижения от катода внутрь области за анодом.Отметим, что экспоненциальный спад концентрации электроновобеспечивает их малую концентрацию на границе образующейся плазмы, чтопозволит ЭМ волне беспрепятственно проходить сквозь нее.

Проходя вплазме, она будет поглощаться. При этом до сетки анода волна (притипичных частотах волны от единиц до десятков ГГц) не дойдет, а отразитсяот области, где концентрация электронов значительная (плазменная частотарастет как корень из концентрации электронов). Поэтому экспоненциальныйспад концентрации электронов является преимуществом.Для того, чтобы увеличить эффективность поглощения волны,необходимо увеличить толщину образующейся плазмы. Толщина плазмы,создаваемая пучком электронов, определяется их пробегом (“range”),который растет вместе с энергией пучка. Поэтому для того, чтобы увеличитьтолщину образующейся в разряде с сетчатым анодом плазмы, необходимоповышать напряжение на электродах.

Однако делать это неограниченнонельзя, поскольку это может привести к значительному нагреву, переходу вдугу и повреждению электродов. Решением данной проблемы может статьиспользование материалов и покрытий с малым значением коэффициентавторичной электронной эмиссии  .143Рисунок 36. Сопоставление ВАХ, рассчитанных для различных значенийкоэффициента вторичной эмиссии.На рисунке 36 представлены рассчитанные ВАХ разряда дляразличных значений коэффициента  =3*10-3, 1*10-3, 3*10-4 в воздухе придавлении p =10 Торр, межэлектродном расстоянии d =0.7 мм и длинепространства за анодом L =6 см. Как и ожидалось, использование меньшегоприводит к увеличению напряжения разряда, необходимого дляподдержания данного разрядного тока.Рисунок 37.

Сопоставление профилей концентраций электронов для случаевс разным коэффициентом вторичной эмиссии.144На рисунке 37 представлено сопоставление профилей концентрацийэлектронов при плотности тока 480 мА/см2 для рассматриваемых случаев.Напряжения составили 2.29, 3.04 и 3.96 кВ, соответственно.

Как видно,концентрацииэлектроновбольшеиспадаютмедленнеевслучаенаименьшего  , поскольку пробег быстрых электронов, определяемыйприложенным напряжением, в этом случае наибольший.В целях оценки эффективности поглощения создаваемой плазмой ЭМволн были получены профили концентрации электронов для различныхдавлений p =10, 25 и 50 Торр. Расчеты проводились с  =3*10-4, L =6 см, d=0.7 мм. Напряжения для рассмотренных давлений составили 4.0, 6.7 и10.2 кВ.Частотыупругихстолкновенийэлектронов,определяющиепоглощение электромагнитной волны в плазме, составили 7.9*1010, 2.0*1011 и4.0*1011 с-1, соответственно.Рисунок 38.

Профили концентраций электронов при различных давлениях,использовавшиеся при расчете поглощения ЭМ волн.Представленные на рисунке 38 профили использовались при расчетепоглощения электромагнитной волны. Расчет проводился следующимобразом.РассматриваласьЭМволна,падающаяперпендикулярноповерхности анодной сетки (на схематическом описании геометрии разрядана рисунке 27 это соответствует направлению справа налево). Пространство145за анодом разбивалось на N тонких слоев. В каждом из слоев концентрацияплазмы предполагалась постоянной.

На основе непрерывности поля волны награнице между двумя последовательными слоями могут быть определеныкоэффициенты отражения, пропускания и поглощения ЭМ волны, которыемогут быть найдены из комплексной диэлектрической проницаемостиплазмы  p ([142]). Проницаемость, в свою очередь, определяется частотойпадающей волны w , плазменной частотой wp и частотой столкновенийэлектронов  ea ([142,143]): p  1wp 2w2  eai eawp 2w w2  ea 2.(86)Совмещая вместе коэффициенты, рассчитанные для каждого слоя,можно получить общие значения для отраженной, поглощенной ипрошедшей волн. Для простоты сетка анода предполагалась идеальноотражающей поверхностью.

Число слоев N в расчете было выбрано равным5000. Данное значение было подобрано таким образом, чтобы достичьнезависимости результатов от N (более подробное описание метода см. в[144,145]).Рисунок 39. Рассчитанные коэффициенты поглощения для p =10, 25 и 50Торр.146На рисунке 39 представлены рассчитанные коэффициенты поглощенияЭМ волны для различных давлений. Видно, что существенное поглощениенаблюдается в широком частотном диапазоне. Максимумы поглощениясоответствуют резонансному поглощению на частотах, равных частотамэлектронных столкновений. В пределах низкочастотного диапазона (6-40ГГц) увеличение давления приводит к уменьшению поглощения.

Тем неменее, в этом частотном диапазоне значительное поглощение (>40 дб)наблюдается во всех рассмотренных случаях. Также в каждом случае длячастот, превышающих частоту столкновений, наблюдается спад поглощения,причем этот спад более резкий для низкого давления. Так, при 10 Торр начастоте волны 200 ГГц поглощения волны почти нет, в то время как при 50Торр при той же частоте волны поглощение значительное и продолжаетувеличиваться вплоть до 400 ГГц.

Поэтому можно ожидать, что при болеевысоких давлениях, соответствующих высоте 10 км над уровнем моря,поглощение будет еще лучше.Приведенныездесьрезультатыпредварительногоисследованиясвидетельствуют о том, что использование разряда с сетчатым анодом можетбытьперспективнымметодомсозданияпокрытий.147поглощающийплазменныхВыводы к главеТаким образом, в данной главе была продемонстрирована возможностьиспользования простого гибридного подхода для моделирования разряда ссетчатым анодом, представляющего особый интерес с точки зрениясовременных приложений. В ходе расчетов параметров разряда был полученряд интересных результатов.Так, при рассмотрении разряда с сетчатым анодом в гелии былообнаружено, что пространство за анодом, в зависимости от разрядного тока,может играть роль как источника ионов, вносящих значительный вклад вподдержание разряда при данном напряжении, так и балластной камерой, невлияющей на ВАХ разряда.

Данное обстоятельство обусловлено смещениемкатодного слоя внутрь межэлектродного промежутка и образованием плазмыв этой области, которое влечет за собой обращение электрического поля,запирающего ионы, приходящие сквозь сетку из области за анодом. Ввидунебольшого числа предположений в модели данный результат может бытьотносительно нетрудно проверен на эксперименте.Также была рассмотрена возможность использования разряда ссетчатым анодом для создания плазменных покрытий, способных поглощатьэлектромагнитные волны в широком диапазоне частот.

Характеристики

Список файлов диссертации