Численное моделирование нестационарных процессов в слаботочных газовых разрядах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Каральник, Владимир Борисович

• Каральник, Владимир Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Каральник, Владимир Борисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Пульсирующий режим отрицательной короны в азоте.

1.1 Введение

1.2 Экспериментальная техника

1.3 Результаты эксперимента

1.4 Обсуждение экспериментальных результатов

1.5 Описание модели

1.6 Результаты расчета и сравнение с экспериментом

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование нестационарных процессов в слаботочных газовых разрядах»

2.2 Описание экспериментальной установки 64

2.3 Результаты эксперимента и их обсуждение 65

2.4 Описание математической модели барьерного разряда 67

2.5 Результаты расчета и сравнение с экспериментом 72

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Каральник, Владимир Борисович

Основные выводы и результаты, полученные в диссертации, можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Впервые продемонстрирован автоколебательный режим отрицательной короны в электроположительном газе. Сформулирована упрощенная математическая модель катодного слоя, поддерживаемого ионизационными лавинными процессами с участием электронов. Модель использована для расчетов пульсирующего режима отрицательной короны в азоте и барьерного разряда в гелии. На основании расчетов установлена физическая природа токовых пульсаций, обусловленных отрицательностью дифференциального сопротивления катодного слоя. Впервые экспериментально и в расчетах получен многопичковый режим пульсаций в барьерном разряде.

2. Разработана 1.5-мерная модель распространения стримера в положительной короне от острия к плоскости. С использованием данной модели исследовались условия, обеспечивающие развитие положительного стримера при напряжениях, меньших, чем постулируется известным критерием Мика - Ретера.

3. Создана математическая модель развития искрового канала в предионизованном коротком промежутке. При сильном ограничении тока балластным сопротивлением развитие искры возможно только за счет зарядки малой паразитной емкости внешней цепи. При этом искра слабая и существует очень короткое время. Показано, что быстрое нарастание тока в слабой искре сопровождается сжатием ее токового канала, но не с газодинамическим расширением канала, характерным для сильной и длительной искры. Расчеты предсказывают сильную неравновесность плазмы в слабой искре при высокой температуре газа, что обусловлено очень коротким временем существования искры.

Научная и практическая ценность работы.

Проведенные исследования относятся к ключевым стадиям эволюции коронного разряда с ростом тока - пульсирующей слаботочной короне, стримерной короне, формированию искры. Определена роль элементарных процессов на каждой из этих стадий. Полученные данные могут быть использованы для выбора режимов газового разряда в плазмохимических генераторах.

1. Расчетами показано, что в пульсирующем режиме отрицательной короны в электроположительном газе как усредненная, так и динамическая вольт-амперные характеристики тлеющего катодного слоя короны имеют отрицательный наклон. Именно это обстоятельство является ключевым, определяющим возможность возникновения в слаботочном разряде пульсирующего режима при постоянном напряжении источника. Расчет показал также, что уменьшение степени поднормальности тлеющего катодного слоя короны (за счет резкого уменьшения площади катодного пятна) или включение в тлеющем катодном слое дополнительных механизмов ионизации (например, за счет ступенчатой ионизации) резко уменьшает (или устраняет) отрицательный наклон его усредненной и динамической ВАХ и приводит к стабилизации тока разряда.

2. Исследован пульсирующий режим барьерного разряда в электроположительном газе (Не). Установлено, что после однородного пробоя в поднормальном режиме в барьерном разряде катодный слой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. Именно это является главной причиной пульсирующего режима барьерного разряда при небольших величинах Р<3<500 Тор-мм. В таком случае, пульсации тока в барьерном разряде по своей природе близки к пульсирующему режиму отрицательной короны в воздухе, известному под названием импульсов Тричела.

3. Численными расчетами показано, что в условиях стационарной диффузной короны, в которой формальный критерий Мика - Ретера для стримерного пробоя не выполняется, стримеры, тем не менее, могут индуцироваться на острие токовыми пятнами, обусловленными развитием ионизационных неустойчивостей в анодной области разряда. При фиксированном напряжении на промежутке наличие токового пятна на аноде приводит к перераспределению поля у анода так, что становится возможным переход одиночной электронной лавины в стример.

4. Искра в промежутках сантиметрового диапазона с резко неоднородным электрическим полем представляет собой обычное и не всегда желательное явление в различных газоразрядных технических устройствах, например, в генераторах неравновесной плазмы при атмосферном давлении. Поэтому выполненное исследование по выяснению условий ее формирования представляет большой интерес для многих областей науки и практики.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность Ю.С. Акишеву за постоянное внимание к данной работе и большую помощь при ее выполнении; А.П. Напартовичу, A.B. Демьянову, И.В. Кочетову - за плодотворное сотрудничество; Г.И. Апонину, Е.В.Воротынцеву, М.Е.Грушину, Н.И. Трушкину - за неоценимый вклад в проведение научных экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Каральник, Владимир Борисович, 2007 год

1. Trichel G W // Phys. Rev. 1938. V.54. P.1078-1084.

2. Morrow R // Phys. Rev. A 1985. V.32. P.1799-1809.

3. Napartovich A P, Akishev Yu S, Deryugin A A, Kochetov IV, Trushkin N I // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. V.30. P.2726-2736.

4. Weissler G L // Phys. Rev. 1943. V.63 P.96-107.

5. Loeb LB// "Electrical coronas" 1965. University of California Press, Berkeley and Los Angeles.

6. Райзер Ю П // «Физика газового разряда» 1987. М., Наука.

7. Верещагин И П // «Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии» 1985. М., Энергоатомиздат.

8. Korge Н, Laan М, Paris Р // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. V.26. Р.231-236.

9. Энгель А, Штеенбек М "Физика и техника электрического разряда в газах" // 1935. ОНТИ, т. 1,2.

10. Ю.С.Акишев, М.Е.Грушин, В.Б.Каральник, Н.И.Трушкин; // Физика плазмы 2001. т.27. 6. с.550-562.

11. Gupta D К, Mahajan S, John PI//J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. V.33. P.681-691.

12. Cross J A, Morrow R, Haddad G N // J. Phys. D: Appl. Phys. 1986. V.19. P.1007-.

13. Scott J A, Haddad GN // J. Phys. D: Appl. Phys. 1986. V.19. P.1507-.

14. Akishev Yu S, Grushin M E, Napartovich A P, Trushkin N I // Proc. 12th Int. Conf. on Gas Discharges and Their Applications, Greifswald, 1997.1 153-156.

15. Акишев Ю С, Трушин M Е, Кочетов И В, Напартович А П, Трушкин НИ// Физика плазмы 1999. т.25 с.922-927.

16. Cernak М, Kaneda Т // J. Appl. Phys. 1998. V.83 Р.5678-5690.

17. Cernak М, Hosokava Т, Odrobina I // Proc. X Intern. Confer, on Gas Discharges and Their Applications (Swansea, Wales, UK) 1992. V.II, P.238-240.

18. Warburg E // Wied. Ann. 1899. V.67. P.69-83.

19. Goldman A, Goldman M, Jones J E, Yumoto M // Proc. IX Intern. Conf. on Gas Discharges and Their Applications, Venice, 1988. P. 197-200.

20. Fieux R, Boutteau M // Bull. Direct. Etudes Rech. EDF, France, 1970. B2. P.55-88.

21. ZentnerR// Z. Angew. Physik 1970. V.29. P.294-301.

22. Акишев Ю С, Кочетов И В, Напартович А П, Трушкин НИ// Физика плазмы 1995. т.21. с.187-191.

23. Акишев Ю С, Напартович А П, Пономаренко В В, Трушкин НИ// ЖТФ 1985. т.55. с.655-663.

24. Marode Е, Goldman A, Goldman М // 1993 NATO ASI Series G 34 Part A, Edited by B.M. Penetrante and S.E.Schulteis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

25. Cernak M, Kaneda T // J. Appl. Phys. 1998. V.83. P.5678-5690.

26. Akishev Yu S, Volchek A M, Napartovich A P, Trushkin N I // Plasma Sources Sci. Technol. 1992.1 P. 190-194.

27. Cernak M, Hosokava T, Odrobina I // Proc. X Intern. Confer, on Gas Discharges and Their Applications (Swansea, Wales, UK), 1992. v.II, P.238-240.

28. Sigmond R.S. // Simple approximate treatment of unipolar space-charge dominated coronas: The Warburg low and the saturation current. J. Appl. Phys., v.83, 1982, p.891-898.

29. Ю.С.Акишев, М.Е.Грушин, В.Б.Каральник, Н.И.Трушкин; // Физика плазмы 2001. т.27. 6. с.563-572.

30. Грановский В Л // "Электрический ток в газе. Установившийся ток", 1971. М., Наука.

31. Jones J Е // Proc. XXIIIICPIG (Toulouse, France) 1997. IV P. 18-19.

32. Jones J E , Goldman A , Goldman M // Proc. XII GD (Greifswald, Germany) 1997 p. 149-152

33. Hernandez-Avila J L, Nur M, Bonifaci N, Denat A // Proc. XXII ICPIG (Hoboken, New Jersy, USA) 1995.p. 129-130

34. B.Eliasson, andU. Kogelschatz. IEEE Trans. Plasma. Sci. 19(2), 309 -323(1991)

35. В.Г.Самойлович, В.И.Гибалов, К.В.Козлов,-Физическая химия барьерного разряда. -М.: Изд-во МГУ, 1989

36. А. Д. Баркалов, В.Д. Гаврилюк, Г.Г. Гладуш, А.Ф. Глова, B.C. Голубев, Ф.В. Лебедев ТВТ, т. 16, №2, с.265(1978)

37. S.Okazaki, M.Kogoma, M.Uehara, Y.Kimura, J. Phys. D: Appl. Phys. 26, 889 (1993)

38. F.Massines, R.Messaourdi, and C.Mayoux, Plasma and Polymers, 3(1), 43 (1998)

39. Brauer, C. Punset, H.-G. Purwins, J.P. Boeuf, J.Appl. Phys, v.85(l 1), 7569 (1999)

40. Yu.S.Akishev, A.V.Dem'yanov, V.B.Karal'nik, N.I.Trushkin and M.V.Pan'kin, Proceeding XXIV ICPIG (Warsaw, Poland) 11-16 July 1999, Vol.2, pp. 137-138

41. N. HAYASHI, H. SUGANUMA, M. KAMATANI, S. SATON and C. YAMABE. Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40 (2001) pp.6104-6108

42. R. Gasparik, N. Mine, S. Ihara, S. Satoh, C. Yamabe. Vacuum 59 (2000) 220-227

43. D. Li, D. Yakushiji, S. Kanazawa, T. Ohkubo, Y. Nomoto. Journal of Electrostatics 55 (2002)311-319

44. Penghui Guan, Nobuya Hayashi, Saburoh Satoh, Chobei Yamabe Vacuum 65 (2002) 469-474

45. N.Yu. Babaeva, G.V. Naidis. Physics Letters A 215 (1996) pp. 187-190.

46. N.Yu. Babaeva and G.V. Naidis. J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) pp. 132-136.

47. G.V. Naidis. J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 2649-2654.

48. R. Morrow and J.J. Lowke. J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 614-627.

49. A.A. Kulikovsky. J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) L5-L7.

50. A.A. Kulikovsky. J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) 1514-1524.

51. A.A. Kulikovsky. J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 441-450.

52. A.A. Kulikovsky. J. Phys. D: Appl. Phys. 27 (1994) pp. 2556-2563.

53. A.A. Kulikovsky. J. Phys. D: Appl. Phys. 27 (1994) pp. 2564-2569.

54. A.A. Kulikovsky. J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995) pp. 2483-2493.

55. N. L. Aleksandrov and E. M. Bazelyan. J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 740-752.

56. N. L. Aleksandrov and E. M. Bazelyan. J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 2873-2880.

57. N. L. Aleksandrov and E. M. Bazelyan. Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 91, No. 4, 2000, pp. 724-735.

58. N. L. Aleksandrov, E. M. Bazelyan and G. A. Novitskii. J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001)1374-1378

59. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. М.: Мир, 1968.

60. Акишев Ю.С., Грушин М.Е., Каральник В.Б., Кочетов И.В., Монич А.Е., Напартович А.П., Трушкин Н.И. // Физика плазмы, 2003, том 29, №2, с. 198-208

61. Akishev Yu.S., Grushin М.Е., Deryugin A.A., Napartovich A.P., Pan'kin M.V., Trushkin N.I. // J.Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) 2399-2409.

62. Базелян Э.М., Ю.П.Райзер, Искровой разряд, М.: Изд-во МФТИ, 1997.

63. Дж. Мик и Дж. Крэгс. Электрический пробой в газах / перевод с англ. М.: Иностранная литература, 1960.

64. Marode Е. /Я. Appl. Phys., 1975, v.46, pp. 2005-2015,2016-2020.

65. Bastien F., Marode E. // J. Phys. D: Appl. Phys., 1979, v.12, pp.249-263.

66. Marode E., Bastien F. and Bakker M. //J. Appl. Phys., 1979, v.50, pp. 140-146.

67. R.S.Sigmond, M.Goldman, Proceed. Third Int. Symp. on Gaseous Dielectrics, Knoxville Tennessee, 1982, Ed. by L.G.Christophorou, Pergamon, New York, 1982, pp 53-59.

68. R.S.Sigmond, J.Appl. Phys. 56 (5), 1 September 1984, pp. 1355-1370

69. R.S.Sigmond, M.Aints, A.Haljaste, and K.Kudu, Proc. Royal Aeronautical Soc. Conf. "Rotocraft in a Lightning Environment" London, 13 April 1999, Paper 4.

70. Ю.С.Акишев, Г.И.Апонин, В.Б.Каральник, А.Е.Монич, Н.И.Трушкин. //Физика плазмы, т.ЗО, №9, 2004, 835-844

71. Ю.С.Акишев, Г.И.Апонин, В.Б.Каральник, А.Е.Монич, Н.И.Трушкин. //Физика плазмы, т.ЗО, №11, 2004, 1044-1056.

72. Плазмохимические реакции и процессы, (Под редакцией Л.С.Полака), М., Наука, 1977.

73. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука, 1980.

74. Мс Ewan M.J., Phillips L.F., Chemistry of the atmosphere, Chemistry Department, University of Canterbery Christchurch, New Zealand, 1975

75. Okabe H., Photochemistry of small molecules, John Wiley and Sons, New York, 1978

76. M.Capitelli, C.V.Ferreira, B.F.Gordiets, A.I.Osipov, 2000 Plasma Kinetics in Atmospheric Gases. Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics, (Springer Verlag Berlin).

77. M.Capitelli, Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers, pp 1-2, 18th ESCAMPIG, July 12-16, 2006, Lecce, Italy

78. Yu.Akishev, V.Karal'nik, N.Trushkin, Proc. of SPIE, Spectroscopy of Nonequilibrium Plasma at Elevated Pressures, Ed. by V.Ochkin, (2002), Vol. 4460, pp.26-39.

79. Yu.Akishev, N.Dyatko, A.Filippov, M.Grushin, A.Napartovich, N.Trushkin, Proc. of SPIE, Spectroscopy of Nonequilibrium Plasma at Elevated Pressures, Ed. by V.Ochkin, (2002) Vol. 4460, pp.90-98.

80. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980.

81. Non-equilibrium air plasmas at atmospheric pressure. Ed. by U. Kogelschatz, K.H. Schoenbach, R.J. Barker, K.H. Becker, at all. Institute of Physics. Series in Plasma Physics. IOP Publishing Ltd Bristol and Philadelphia, 2005.

82. Александров H.JT., Кочетов И.В. // Теплофизика высоких температур, т.25, №6, 1062-1067, 1987.

83. Хастед Дж. Физика атомных столкновений. М.: Мир, 1965.

84. Физические величины. Справочник. Энергоатомиздат. 1991

85. Смехов Г.Д., Яловик М.С. // Химическая физика, 1996, т. 15, № 4, стр. 17-35

86. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. Том 1. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. М.: Изд. Мое. ун-та, 1995. http://www.avogadro.edu.ru .