Диссертация (1149790), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Так как ионизацияв таком подходе определяется на основе локального значения температурыэлектронов, наблюдается также сдвиг между полем и скоростью ионизации.По этой причине, как было показано в [19], такой подход позволяет получитьполную продольную структуру тлеющего разряда с основными зонами –катодным слоем, отрицательным свечением с обращением поля, фарадеевымтемным пространством и положительным столбом. Однако получаемые прииспользовании такого подхода значения температуры электронов в плазмеотрицательного свечения значительно превышают получаемые в результатезондовых измерений.
Данное расхождение следует из рассмотренияэлектронногоансамблявцелом,чтопротиворечитнаблюдаемомугрупповому характеру распределения электронов в плазме отрицательногосвечения.В [78] приведены результаты расчетов двумерной структуры тлеющегоразряда в Гелии при давлении в 1 Торр. Для описания ионизациииспользовалосьприближениелокальногополя,скоростьионизацииопределялась коэффициентом Таунсенда. Авторы обращают внимание нанеприменимость подобного подхода для описания нелокальной ионизации вплазме отрицательного свечения, которое носит определяющий характер всамоподдержании разряда при сильных токах (случай аномального тлеющегоразряда), поэтому рассмотрение ограничивалось нормальным и аномальным(при умеренных напряжениях) режимами тлеющего разряда.При проведении расчетов особое внимание уделялось двумернымаспектам структуры тлеющего разряда, а именно формированию катодного44пятна с нормальной плотностью тока и его связи с радиальнымраспределением параметров разряда, а также переходу из нормальногорежима горения разряда в аномальный.
В результате расчетов былиполучены ВАХ разряда с характерным областями: областью нормальногоразряда с постоянным напряжением и растущей областью аномальногоразряда. Анализ пространственных распределений параметров разрядапоказал наличие радиального поля, которое стягивает электроны к осиразряда и отталкивает ионы к периферии, тем самым определяя стабильностьтокового пятна. Было показано, что при увеличении напряжения и переходе каномальному разряду увеличение разрядного тока в 50 раз сопровождалосьувеличением плотности тока в 1.5 раза, что позволило судить о наблюдении врасчете нормального тлеющего разряда.Аналогичные расчеты были проведены в работе [79]. Рассматривалсяразряд в плоскопараллельной конфигурации в азоте при давлении 5 Торр.Были получены характерные ВАХ с областью нормального тлеющегоразряда, а также нормальные распределения плотности тока на катоде.Анализ результатов показал, что характерное расширение токового пятнапроисходит за счет диффузии ионов.
Кроме того отмечается, чтонемаловажнымаспектомгидродинамическогоподходачисленногомоделирования является так называемая счетная диффузия, обусловленнаяиспользованием разностной схемы решения дифференциальных уравнений иконечным размером численной сетки. Авторы отмечают, что счетнаядиффузия может значительно превышать физическую, а также являтьсяпричиной расширения катодного пятна. В настоящее время для подавлениясчетной диффузии расчеты с гидродинамическим подходом осуществляютсяс использованием экспоненциальных схем Шарфеттера-Гюммеля и сиспользованием более мелких численных сеток.Исследованиепродольнойструктурытлеющегоразрядасиспользованием расширенного гидродинамического подхода представлено в45[80]. Предлагаемый авторами вариант модели имеет отличительнуюособенность – они не используют дрейфо-диффузионное приближение дляопределения потоков заряженных частиц, а непосредственно решаютуравнения сохранения импульса, тем самым учитывая инерцию, что можетбыть важным при расчете движения частиц в высоких полях катодного слоя.Расчеты были проведены в одномерной геометрии в аргоне при давлениях0.3 и 0.8 Торр.
Приведенные в статье результаты включают характерные дляаномального тлеющего разряда вольт-амперные характеристики, а такжераспределения основных параметров разряда – концентраций и потоковзаряженных частиц, потенциала и напряженности электрического поля,температуры электронов и скоростей заряженных частиц. В отличие отрезультатов, представленных в [13], скорость ионизации имеет двамаксимума – в катодном слое и в отрицательном свечении. Является лиданное отличие результатом учета инерционных эффектов, сказать сложно,так как сопоставления результатов с полученными в дрейфо-диффузионномприближении не приведено.В работе [81] проводилось численное исследование формирования истабильности катодных пятен, возникающих на падающей ветви ВАХтлеющего разряда, соответствующей переходу из Таунсендовского внормальный разряд.
По мере увеличения разрядного тока формированиюкатодного пятна с нормальной плотностью тока сопутствуют нестабильности– катодные пятна могут появляться на различных частях поверхности катода,с увеличением тока сливаясь в одно стабильное пятно. Исследованиепроводилось в рамках простой гидродинамической модели в двумернойпостановке. Расчеты проводились для азота при давлении 100 Торр вплоскопараллельной геометрии, расстояние между электродами составляло 1см, радиус электродов варьировался. В ходе расчетов наблюдалосьформирование ряда катодных пятен, которые в зависимости от конкретныхусловий, либо соединялись в одно, либо оставались стационарны. Для46выявления основных факторов, влияющих на характер формированиякатодных пятен, в качестве начальных условий использовались возмущенияплотности тока на катоде – случайные и гармонические.
На основе анализарезультатов расчетов с возмущениями были найдены границы устойчивостипо плотности тока для каждого типа возмущения. Также показано, что дляразличных возмущений реализуются различные стационарные решения.Отметим, что данное обстоятельство требует дополнительной проверки, таккаквнастоящеевремясчитается,чтостационарныерешениягидродинамической системы уравнений в случае тлеющего разряда (как водномерной, так и в двумерной постановке) не должны зависеть отначальных условий.Аналогичные исследования проводились в [82]. Основная структураразряда при переходе от Таунсендовского разряда к субнормальному и кнормальному была получена в стационарном режиме с использованиемпростой гидродинамической модели.
Для исследования механизма ипричины возникновения осцилляций катодных пятен была разработанаупрощенная аналитическая модель, включавшая в себя полученные встационарномрасчетеэлектростатическогопараметрыпотенциала).(профилиМодельконцентрацийпозволилаизафиксироватьосновные процессы, сопровождающие переход от таунсендовского разряда кнормальному – контракцию темного разряда, отрицательный наклон вольтамперной характеристики и возникновение колебаний тока. Показано, чтоосновными факторами, влияющими на формирование катодных пятен,являются радиальная диффузия электронов и дрейф ионов в продольномполе. Вклад каждого из факторов может меняться в зависимости отразрядного тока.Гидродинамическийподходтакжепозволяетучестьмногокомпонентный состав газоразрядной плазмы и связанные с этимэффекты.
Так, численное исследование осцилляций тока в тлеющем разряде47в электроотрицательном газе представлено в работе [83]. Использовавшаясямодель включала три сорта частиц – электронов, положительных ионов иотрицательных ионов. Расчеты проводились в аргоне с небольшой примесьюэлектроотрицательного газа (газ, атомы или молекулы которого могутобразовывать стабильные отрицательные ионы, в основном в результатеприлипания). В результате расчетов были получены периодическиеосцилляции разрядного тока с частотой порядка 10 кГц. Анализ результатовпоказал, что осцилляции тока в разряде возникают в том случае, когда врезультате прилипания концентрация электронов в анодном слое падает истановится недостаточной для поддержания разрядного тока.
Это ведет краспаду плазмы и увеличению напряженности электрического поля у анода,которая, в свою очередь, влечет за собой падение напряженности поля укатода и уменьшению скорости ионизации. Разряд на время гаснет,электрическое поле возвращается к невозмущенному состоянию, и вновьпроисходит пробой. В работе также показано, что подобные колебаниявозникают для широко диапазона условий, вне зависимости от задаваемойскорости рекомбинации (электрон-ионной и ион-ионной) и параметровэлектрической цепи.В целом гидродинамический подход позволяет на качественном уровнеописать основные свойства тлеющего разряда, такие как формированиепродольной структуры и обращение поля в плазме отрицательного свечения,авслучаеэлектрическиххарактеристиквозможнодостичьиколичественного согласия с экспериментальными наблюдениями. Добитьсятакого же согласия при определении параметров плазмы (концентрации итемпературыэлектронов)гидродинамическийподходнепозволяет.Причиной тому во многом служит использование приближения локальногополядляопределенияскоростиионизации,котороенеучитываетнелокальный характер энергетического спектра электронов в прикатодныхобластях тлеющего разряда.
Данное приближение справедливо, когда между48электрическим полем и энергией электронов устанавливается локальноеравновесие, так что получаемая электроном в поле энергия тратится настолкновения в данной точке пространства. Однако, если пространственныеградиенты поля велики, может сложиться ситуация, что электроны,ускоренные до значительных энергий в сильном поле, попадут в область, гдеполе слабо, и вызовут там значительную ионизацию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
