Диссертация (1150536), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Отличительнойособенностью представленной модели является решение уравнения ХолстейнаБибермана для учета переноса резонансных атомов на том же уровне точности,что и уравнения диффузии и теплопроводности. Используя предложенный подход,можно анализировать влияние пленения резонансных фотонов на различные параметры плазмы. Предлагаемый алгоритм решения задачи позволяет получать нетолько диффузную и контрагированную ветви разряда, но и решение в неустойчивой области гистерезиса. Показано, что диффузный разряд не подвержен влияниюпленения излучения. В контрагированном режиме высшие радиационные модыиграют значительную роль и вызывают различные изменения параметров разряда. В частности, нестабильная и контрагированная части ВАХ сдвигаются вобласть больших токов.
Радиальные профили возбужденных состояний заметноуширяются, а осевые значения концентраций снижаются. Пленение излученияоказывает влияние не только на распределения резонансных атомов, но также наметастабильные и 2-атомы вследствие эффективного столкновительного перемешивания.Выполнены измерения вольт-амперной характеристики разряда, радиальныхраспределений плотности электронов и возбужденных атомов. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными демонстрирует хорошее согласие.Это свидетельствует о том, что предложенная теория может качественно описывать контракцию разряда и радиальные распределения параметров плазмы вданном разряде.
Подход, описанный в настоящей главе, может быть с успехомприменен к изучению разрядов в других газах.148ЗаключениеОсновные результаты работы заключаются в следующем.1. Разработан оригинальный метод решения уравнения Холстейна-Бибермана,основанный на сведении интегрального оператора к системе линейных уравнений. Данный метод использует процедуру трассировки лучей через однородную декартову сетку элементарных объёмов и использует эффективныйалгоритм параллельного расчета задачи на графических вычислительныхпроцессорах (GPU).
Метод позволяет рассматривать источники плазмы трехмерной конфигурации произвольной формы, что делает возможным его применение в широком спектре задач, связанных с моделированием источниковнеравновесной газоразрядной плазмы.2. Выполнен анализ влияния пленения резонансного излучения на параметрыплазмы свободно горящей дуги в аргоне. Использован матричный метод длярешения уравнения Холстейна-Бибермана с учетом неоднородности коэффициента поглощения в цилиндрической геометрии c лоренцевским контуром линии. Разработано две столкновительно-радиационных схемы длявышеупомянутого анализа.
Показано, что в наиболее горячей центральнойобласти дуги пленение резонансного излучения не играет роли вследствиеэффективного столкновительного девозбуждения резонансного уровня. Вто же время, имеет место резкий рост заселенности резонансного состоянияна периферии дуги, связаный с переносом возбужденных атомов за счетпленения излучения.3. В рамках многоуровневой столкновительно-радиационной модели выполнены расчеты плотностей возбужденных атомов в свободно горящей дуге варгоне.
Результаты расчетов с применением матричного метода продемонстрировали значительный рост заселенности на периферии дуги не только149резонансных атомов, но и сильно перемешанных с ними метастабильных атомов, а также незначительный рост концентраций различных 2-атомов. Влияние резонансного излучения на более высокие энергетические состоянияпрактически отсутствовало. Проанализированы отклонения от равновесныхраспределений атомов по энергиям, обусловленные процессами излучения вразных радиальных позициях.
Показано изменение состояния плазмы порадиусу. В центре дуги плазма находится в состоянии, близком к ЛТР, затем через состояние ЧЛТР она переходит в резко неравновесный режим напериферии дуги. Показано влияние пленения излучения на распределенияатомов по уровням энергии.4. Проанализирован ряд вопросов, связанных с измерениями пространственных распределений возбужденных атомов в объёмных источниках плазмы свысоким пространственным разрешением. Продемонстрирована целесообразность использования интегральной аппаратной функции по отношениюк пространственным распределениям, содержащей информацию о всех продольных сечениях объёмного источника.
Выполнено сравнение схем регистрации с использованием фотоумножителя и CMOS-камеры. Показано, чтоиспользование камеры дает более высокое пространственное разрешение,но не подходит для регистрации сигнала на слабых спектральных линияхпри отсутствии специализированных средств усиления сигнала.5. Проанализированы традиционные подходы к измерению пространственных распределений концентраций поглощающих атомов: метод классической абсорбции и метод Line Ratios. Последний был модифицирован дляизмерений потоков излучения с корректным учетом реабсорбции вдольнаправления наблюдения. С помощью этих методов измерены радиальныепрофили плотности резонансных и метастабильных атомов аргона в положительном столбе разряда при = 12 Торр. Сравнение результатов двухметодов показало согласие абсолютных значений для 15 , 14 и 13 -уровнейв центре разряда. По направлению к стенке различия постепенно нарастали.Для слабозаселенного (относительно остальных 1-уровней) состояния 12 ,профиль, измеренный с помощью соотношений линий, заметно выбиваетсяиз общей картины.
Можно предположить, что данный метод является го-150раздо более чувствительным к измеряемым величинам световых потоков ивыбору спектральных линий, что может вызывать ошибки при численномрешении систем нелинейных уравнений (за счет большой разницы малыхвеличин). Выполнены систематические измерения с помощью метода классической абсорбции, показан эффект оптической контракции, характерныйдля тлеющего разряда при данных разрядных условиях. Приведены критерии применимости вышеописанных методов, подкрепленные табличнымматериалом.6. Разработана самосогласованная модель контракции положительного столбав протяженном разряде в аргоне.
Отличительной особенностью представленной модели является решение уравнения Холстейна-Бибермана для учетапереноса резонансных атомов на том же уровне точности, что и уравнениядиффузии и теплопроводности. Использованный алгоритм решения задачи позволяет получать не только диффузную и контрагированную ветвиразряда, но и решение в неустойчивой области гистерезиса. Показано, чтодиффузный разряд не подвержен влиянию пленения излучения, в отличиеот контрагированного разряда, поскольку радиальные распределения источников возбуждения близки к фундаментальным модам диффузионнойи радиационной задачи, что позволяет использовать приближение локальных эффективных вероятностей перехода.
В контрагированном режимевысшие радиационные и диффузионные моды играют значительную роль иэто приближение становится неприменимым. Показано влияние плененияизлучения на вольт-амперную характеристику разряда. В частности, нестабильная и контрагированная части ВАХ сдвигаются в область больших токов,а ширина контрагированного шнура увеличивается. Радиальные профиливозбужденных состояний заметно уширяются, а осевые значения концентраций снижаются. Пленение излучения оказывает влияние не только нараспределения резонансных атомов 14 , 12 , но также на метастабильные15 , 13 и излучающие 2-атомы вследствие эффективного столкновительнорадиационного перемешивания.7.
Выполнены измерения вольт-амперной характеристики разряда в аргоне, атакже радиальных распределений плотности электронов и возбужденных151атомов с высоким пространственным разрешением. Сравнение результатоврасчетов с экспериментальными данными демонстрирует хорошее согласие,что свидетельствует о том, что предложенная теория может достаточно качественно описывать контракцию положительного столба в инертных газахпри давлениях в десятки и сотни Торр.152Список литературы1.
Golubovskii Y. B., Kalanov D., Baeva M. et al. Effect of trapping of resonanceradiation in a free-burning Ar arc // Journal of Physics D: Applied Physics. –– 2015. ––Vol. 48. –– P. 225203.2. Golubovskii Y. B., Kalanov D., Gorchakov S., Uhrlandt D. Nonlocal electron kineticsand spectral line emission in the positive column of an argon glow discharge //Plasma Sources Science and Technology. –– 2015. –– Vol.
24. –– P. 2–5.3. Gorchakov S., Baeva M., Golubovskii Y. B. et al. Effect of Resonance RadiationTrapping on the Excited State Densities in Free-Burning Arc Plasmas // PlasmaPhysics and Technology. –– 2015. –– Vol. 2. –– P. 21.4. Golubovskii Y. B., Kalanov D., Gortschakow S. et al.
Excited atoms in the free-burningAr arc: treatment of the resonance radiation // Journal of Physics D: Applied Physics. ––2016. –– Vol. 49. –– P. 475202.5. Golubovskii Y. B., Kalanov D., Maiorov V. A. Radial structure of the constrictedpositive column: Modeling and experiment // Physical Review E. –– 2017. –– Vol. 96. ––P. 23206.6. Kalanov D., Golubovskii Y. B., Gortschakow S., Uhrlandt D. Ray tracing methodfor description of radiation trapping in 3D plasma domains // Journal of Physics D:Applied Physics. –– 2017.
–– Vol. 50. –– P. 425204.7. Kalanov D., Golubovskii Y. B., Uhrlandt D., Gortschakow S. Advanced approach forradiation transport description in 3D collisional-radiative models // Plasma Physicsand Technology. –– 2017. –– Vol. 4. –– P. 112–115.8. Milne E. A. The diffusion of imprisoned radiation through a gas // Journal of theLondon Mathematical Society. –– 1926. –– Vol. 1. –– P.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
