Диссертация (1149790), страница 23

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

Текст из файла (страница 23)

Для этого былипроведены расчеты разряда в воздухе. Анализ структуры разряда показал,что профили концентрации электронов подобны профилям ионизации. Соднойстороныэтоувеличиваетэффективностьпоглощенияволнобразующимся плазменным слоем. С другой стороны, экспоненциальноеубывание источника нелокальной ионизации является в некоторой степенипредположением и может отличаться от реальной ситуации. В отсутствиирекомбинационныхпотерьрезультатымоделированияразрядаслабочувствительны к форме источника, поскольку доминируют потери на стенкахразряда, и важным является интегральное значение ионизации по всемуразрядному объему. В случае же, когда рекомбинационные потери148значительны, требования к формулировке источника ионизации становятсястроже. Однако то обстоятельство, что профиль концентрации повторяетформу источника, позволяет провести зондовые измерения концентрацииплазмы в разряде с сетчатым анодом в условиях, когда рекомбинациязначительна, и получить экспериментальные данные касательно формыисточника ионизации.Для определения эффективности создаваемого подобным образомпоглощающего плазменного покрытия, полученные в ходе расчетов профиликонцентрации электронов использовались для расчета поглощения ЭМволны.

Полученные результаты показали эффективное поглощение волны вшироком диапазоне частот, что делает такой разряд перспективным дляиспользования в качестве метода создания поглощающих плазменныхпокрытий.149ЗАКЛЮЧЕНИЕ1. В программном пакете COMSOL Multiphysics на первом этапе быласозданачисленнаяреализацияпростогогибридногоподхода,использующего аналитическую формулировку источника нелокальнойионизации быстрыми электронами.

Был проведен ряд предварительныхрасчетов, показавших, что подход воспроизводит все основные свойствакороткого тлеющего разряда: вид вольт-амперной характеристики;постоянство суммарного тока вдоль разряда, преобладание ионного тока вслое и электронного тока в плазме; пространственные распределенияконцентраций заряженных частиц с областями катодного слоя сположительным объемным зарядом и квазинейтральной плазмы; наличиеточки обращения поля; уменьшение толщины катодного слоя и смещениемаксимума концентрации ближе к катоду при увеличении давления.Сопоставление профилей концентраций электронов с аналитическойформулой показало хорошее согласие.2.

Было проведено исследование чувствительности модели к значениямосновных внешних параметров – спаду источника нелокальной ионизации и значению температуры электронов Te . Проведенные расчеты сразличными значениями указанных параметров показали существеннуючувствительность результатов расчетов – в то время как температураэлектронов влияла исключительно на значение концентрации в плазме,спад источника ионизации существенным образом влиял и на ВАХразряда. Была предложена оценка на основе длины неупругихстолкновений быстрых электронов, которая показала хорошее согласие симеющимися в литературе данными о пространственном распределенииисточникаионизации.Длятемпературыэлектроновнеобходимсамосогласованный расчет с уравнением баланса медленных электронов.3.

Был проведен ряд расчетов с учетом уравнения баланса энергииэлектронов в формулировке, аналогичной используемой в расширенном150гидродинамическом подходе. Было показано, что прямое включениеуравнения баланса энергии в модель приносит за собой переоценкутемпературыэлектронов,характернуюдлярасширенногогидродинамического подхода. Также и прямое включение аналитическойформулировки источника нелокальной ионизациив расширеннуюгидродинамическую модель не привело к автоматическому решению этойпроблемы.4. Для решения задачи определения температуры медленных электронов вплазме отрицательного свечения при проведении самосогласованныхрасчетов с использованием простой гибридной модели была предложенаформулировка баланса энергии, учитывающая групповой характерраспределения электронов.

Уравнение баланса записывалось для группымедленных электронов. Было показано, что, поскольку медленныхэлектронов в катодном слое нет, а в плазме поле небольшое и меняет знак,джоулевымнагревомвбалансеэнергииможнопренебречь.Определяющими тогда становятся потери энергии медленных электроновпри упругих соударениях с нейтральными атомами и нагрев прикулоновских столкновениях с вторичными электронами, образованными врезультатеионизациибыстрыми.Ввидунезависимостиэнергиивторичных электронов от энергии быстрых, нагрев был определен какпроизведениеисточниканелокальнойионизациинанекоторуюэффективную энергию, привносимую вторичным электроном в ансамбльмедленных.5. Был проведен анализ влияния значения эффективной энергии нарезультаты расчетов.

Было выявлено, что влияние во многом схоже свлиянием значения температуры медленных электронов. Полученныезначения температуры электронов были близки типичным значениям,получаемым в результате зондовых измерений.6. Предварительныерезультатыпоказалинеобходимостьоценкиэффективной энергии на основе кинетических соображений. Была151предложена формула, оценивающая эффективную энергию на основеэнергетическогораспределенияисточникаионизации.Расчетысиспользованием предложенной формулы показали хорошее согласие симеющимсявлитературевыражением,сформулированнымприисследовании плазмы послесвечения в гелии. Также было проведеноисследование влияния внешних параметров на значение эффективнойэнергии.7. Сформулированное уравнение баланса энергии медленных электроновбыло встроено в численную реализацию простого гибридного подхода.Было проведено сопоставление результатов с имеющимися в литературеэкспериментальными данными о ВАХ короткого тлеющего разряда ирезультатов зондовых измерений параметров плазмы.

Сопоставлениепоказало хорошее согласие. Таким образом, задача формулировки балансаэнергии медленных электронов была решена.8. Результаты расчетов воспроизвели экспериментально наблюдаемуютенденцию увеличения концентрации электронов в плазме разряда суменьшением давления при том же значении разрядного тока. Данномуявлению было дано объяснение в рамках простого гибридного подхода.Было показано, что произведение концентрации на температуру врассмотренных условиях слабо зависит от давления и определяетсяразрядным током. В то же время с уменьшением давления уменьшаетсязначение эффективной энергии, привносимой вторичным электрономансамбль медленных, что приводит к уменьшению общего нагрева именьшим значениям температуры электронов в плазме.

Это, в своюочередь,приводитксопоставимомуувеличениюконцентрацииэлектронов, поскольку произведение должно оставаться постоянным.9. В качестве примера использования простого гибридного подхода дляописания других типов разрядов, в которых определяющую роль играетнелокальная ионизация быстрыми электронами, был выбран разрядпостоянного тока с сетчатым анодом.

Для проведения расчетов в152одномерной постановке было сформулировано специальное граничноеусловие, учитывающую прозрачность анодной сетки.10.Было проведено исследование влияние прихода ионов из плазмы,образующейся в области за анодом. С этой целью был проведен рядрасчетов,вкоторыхсеткаанода“закрывалась”(коэффициентпрозрачности сетки обнулялся). Сопоставление ВАХ, полученной врасчетах для случаев прозрачности сетки  =0 и  =0.7 выявил наличиедвух областей.

В области низкого тока в случае  =0.7 наблюдалось болеенизкое напряжение, так как приходящие из плазмы ионы уменьшаютнапряжение самоподдержания разряда. Катодный слой при этом в обоихслучаях занимал весь межэлектродный промежуток. В области болеевысоких токов рассчитанные для обоих случаев ВАХ были идентичны.Данное обстоятельство было связано с формированием плазмы вмежэлектродномпромежуткеиобращениемнапряженностиэлектрического поля, которое запирало идущие сквозь сетку ионы.11.Было проведено исследование возможности использования разряда ссетчатым анодом для создания поглощающих плазменных покрытий.

Дляэтого был проведен ряд расчетов параметров разряда в воздухе приповышенном давлении с использованием простого гибридного подхода.Было показано, что подход может использоваться для полученияпрофилей концентрации электронов в плазмы, на основе которых можетбыть предпринят расчет прохождения ЭМ волн сквозь образующийсяплазменный слой.

Предварительные оценки показали, что создаваемаятаким образом плазма эффективно поглощает волны в широком диапазонечастот.12.Предложенная в работе формулировка баланса энергии медленныхэлектронов может быть использована в классических гибридныхподходах, использующих процедуру Монте-Карло для нахожденияисточника нелокальной ионизации.15313.Полученный в работе ряд результатов может послужить основой длядетального экспериментального исследования: слабая зависимость отдавления произведения концентрации на температуру электронов neTe вплазме отрицательного свечения и вытекающие отсюда следствия,механизм самоподдержания разряда с сетчатым анодом, а также подобиепрофилей концентрации плазмы и источника нелокальной ионизации приусловиях,когдарекомбинационнаягибельзарядовявляетсядоминирующей.14.Развитый в работе простой гибридный подход в предложеннойформулировке может с уверенностью использоваться при численноммоделировании тлеющих разрядов, разрядов с сетчатым анодом, полыхкатодов и других разрядов, в которых доминирующую роль играетнелокальная ионизация, а также основанных на них газоразрядныхустройствах.154СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ[1] Райзер Ю.

П., Физика газового разряда. – Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.,1987.[2] Кудрявцев А. А., Смирнов А. С., Цендин Л. Д., Физика тлеющего разряда.– Лань, 2010.[3] Кудрявцев А. А., Морин А. В., Цендин Л. Д., Роль нелокальной ионизациив формировании коротких тлеющих разрядов //Журнал технической физики.– 2008. – Т. 78. – №. 8. – С. 71-82.[4] Arslanbekov R. R., Tobin R. C., Kudryavtsev A. A., Self-consistent model ofhigh current density segmented hollow cathode discharges //Journal of appliedphysics. – 1997. – Т.

Характеристики

Список файлов диссертации