Исследование параметров нелокальной плазмы модифицированного короткого газового разряда постоянного тока с накаливаемым катодом

1.  Разработана 2D модель газового тлеющего разряда высоких и низких давлений нелокальной плазмой для прототипа анализатора CES, включающая:

  • определение резких границ между различными пространственными и энергетическими областями, где доминируют разные процессы;
  • разделение разрядного промежутка на слой и плазму и использование уравнения Пуассона для нахождения поля в катодном и анодном слоях;
  • гидродинамическое (fluid) описание ионов и нахождение самосогласованного профиля поля в плазме; разделение плазменной области разряда на участки с прямым и обратным полем;
  • самосогласованное описание нелокальной кинетики электронов и нелокальной ионизации в прикатодной области, включающей разбиение электронов на три группы: быстрых, промежуточных и запертых.

 

  1. Создана основанная на кинетическом описании электронов и гидродинамическом описании ионов и нейтральных частиц       теоретическая модель модифицированных укороченных разрядов, в рамках которой:
  • для концентраций ионных и нейтральных компонент плазмы записаны соответствующие уравнения непрерывности с учетом пространственного переноса в диффузионно-дрейфовом приближении и всевозможных объемных процессов их рождения и гибели;
  • для расчета коэффициентов подвижности и диффузии, а также констант процессов с участием электронов, использована их функция распределения, вид которой находится путем решения нелокального уравнения Больцмана;
  • при нахождении функции распределения электронов по энергиям учитываются эффекты  нагрева электронов в поле и изменения их энергии за счет упругих, межэлектронных и неупругих столкновений;
  • используется уравнение баланса энергии электронов при нахождении электронной температуры (средняя энергия электронов);
  • сформулирована система уравнений и граничные условия;
  • представлена методика определения скоростей реакций и коэффициентов переноса заряженных и возбужденных частиц;
  • разработан алгоритм и изготовлен программный код для решения нелокального кинетического уравнения Больцмана для электронов.
  1. Созданы и модернизированы имеющиеся вычислительные коды для проведения полномасштабных численных экспериментов по расчету параметров газовых разрядов с нелокальной плазмой.

Рис.1  Устройство для исследований укороченного тлеющего разряда в гелии.

 

  1. Выполнено тестирование разработанной модели и проведено сопоставление результатов с имеющимися литературными данными как для микроразряда (рис. 1) в гелии, так и для разряда в аргоне. Показано хорошее соответствие как по интегральным характеристикам (рис. 2), таким как ВАХ (вольтамперная характеристика) разряда, так и по его пространственным и структурным особенностями и параметрам (рис. 3).

Рис. 2.  Вольт-амперные характеристики промежутка катод-диафрагма для анодных токов A: 0.2A и B: 0.4A. пунктирные линии – соответствующие экспериментальные характеристики], где кривым 1, 2, 3 и 4 соответствуют анодные токи 0.1, 0.2, 0.3 и 0.4А.

 

Рис. 3. 2D – профили концентраций электронов, ионов, быстрых электронов и метастабильных атомов гелия для режима с =2 eV и  =19 V.