Динамика ионных и электронных потоков в разрядной камере Пеннинга

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Двухжидкостная и двухтемпературная диффузионно-дрейфовая модель газоразрядной плазмы использована для численного исследования структуры разряда Пеннинга в цилиндрической разрядной камере при давлении молекулярного водорода 1 мТорр, напряжении между электродами 500–1000 В и индукции осевого магнитного поля 0.001–0.2 Тл. В расчетах получены два режима существования разряда Пеннинга, которые качественно отличаются по электродинамической структуре потоков заряженных частиц газоразрядной плазмы, а также переходные режимы и режимы погасания в слабом и сильном магнитном поле. Найдены условия, при которых в приосевых областях возникает осцилляционное движение электронных и ионных потоков. Показано, что результаты численного моделирования с использованием диффузионно-дрейфовой модели позволяют получить непротиворечивые данные в сравнении с экспериментом, при этом дают возможность получить представление о формировании структуры потоков частиц электроразрядной плазмы, что позволяет объяснить наблюдаемые экспериментальные данные.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Т. Суржиков

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: surg@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Penning F.M. The Glow Discharge at Low Pressure Between Coaxial Cylinders in an Axial Magnetic Field// Fhysica III. 1936. № 9. Р. 873–894.
  2. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 543 с.
  3. Hirsch E.N. On the Mechanizm of The Penning Discharge // Brit. J. Appl. Phys. 1964. V. 15. Р. 1535–1544.
  4. Мамедов Н.В. Физические основы генерации ионных пучков в плазменных источниках нейтронных трубок: Уч. пособ. М.: Буки Веди, 2021. 388 с.
  5. Мамедов Н.В., Масленников С.П., Солодовников А.А., Юрков Д.И. Влияние магнитного поля на характеристики импульсного пеннинговского ионного источника// Физика плазмы. 2020. T. 46. № 2. стр. 172–185.
  6. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат. 1972. 304 с.
  7. Веников Н.И. Источники ионов для ускорителей. Препринт ИАЭ-3217. 1979. 54с.
  8. Loeb H.W. Plasma-based ion beam sources// Plasma Phys. Control. Fusion.2005. V. 47. B565–B576
  9. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат. 1986. 249 с.
  10. Rovey J.L. Design parameter investigation of a cold-cathode Penning ion source for general laboratory applications// Plasma Sources Sci. Technol. 2008. 17. 035009. 7 pp.
  11. Коротаев Ю.В., Мешков И.Н., Поляков В.Н., Смирнов А.В., Сыресин Е.М., Лей Р., Транквилль Ж. Разряд Пеннинга в электронно-оптических приборах с магнитным сопровождением // Журнал технической физики. 1997. Вып. 11. С. 124–126.
  12. Рачков Р.С., Масленников С.П., Юрков Д.И. Исследование амплитудно-временных характеристик разряда Пеннинга в миниатюрных ионных источниках // Атомная энергия. 2019. Т. 127. Вып. 1. С. 39–43.
  13. Мамедов Н.В., Щитов Н.Н., Колодко Д.В., Сорокин И.А., Синельников Д.Н. Разрядные характеристики плазменного источника Пеннинга // ЖТФ. 2018. № 8. С. 1164–1171.
  14. Мамедов Н.В., Щитов Н.Н., Каньшин И.А. Исследование зависимостей эксплуатационных характеристик источника ионов Пеннинга от его геометрических параметров // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т. 16(4). http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-4/articles/590/
  15. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит. 2006. 576 с.
  16. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. Магнитная гидродинамика. М.: Физматгиз, 1962. 235 с.
  17. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. 1966. 624 с.
  18. Мамедов Н.В., Масленников С.П., Пресняков Ю.К., Солодовников А.А., Юрков Д.И. Моды разряда пеннинговского ионного источника при импульсном и стационарном режиме питания // ЖТФ. 2019. Т. 89. Вып.9. С. 1367–1374.
  19. Dikalyuk A.S. Development of Particle-in-Cell Solver for Numerical Simulation of Penning Discharge. // AIAA 2017–0842. 2017. p. 22
  20. Rokhmanenkov A.S., Kuratov S.E. Numerical Simulation of Penning Gas Discharge in 2D/3D//J. Phys.: Conf. Ser. 1250. 2019. 012036
  21. Tyushev M., Papahn Zadeh M., Sharma V., Sengupta M., Raitses Y., Boeuf J.-P., Smolyakov A. Azimuthal structures and turbulent transport in Penning discharge // arXiv preprint arXiv:2210.16887. 2022.
  22. Surzhikov S.T. Theoretical and Computational Physics of Gas Discharge Phenomena. Series: Texts and Monographs in Theoretical Physics. de Gruyter: Berlin. 2020. 537 p.
  23. Surzhikov S.T. Diffusion-Drift Modeling of the Electrodynamic Structure of the Penning Discharge in Molecular Hydrogen// Fluid Dynamics. 2023. V. 50. № 8. 21 p.
  24. Суржиков С.Т. Двухмерная структура разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем при давлении порядка 1 Торр // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 3. С. 64–71.
  25. Суржиков С.Т. Двумерная модель разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем//Журнал технической физики. 2017. Т. 87. Вып. 8. С. 1165–1176.
  26. Суржиков С.Т., Куратов С.Е. Модифицированная диффузионно-дрейфовая модель разряда Пеннинга//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15. Вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-6/articles/257/
  27. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука, 1984. 392 с.
  28. Баранов В.Б., Краснобаев К.В. Гидродинамическая теория космической плазмы. М.: Наука. 1977.
  29. Surzhikov S.T., Shang J.S. Two-component plasma model for two-dimensional glow discharge in magnetic field//Journal of Computational Physics. 2004. 199. Р. 437–464.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расчетная схема разряда Пеннинга.

Скачать (174KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение концентраций ионов (Ni=ni/n0, пунктир) и электронов (Ne=ne/n0) вдоль оси симметрии; (а) ε=500 В, Bx=0.005 Тл (кривая 1), Bx=0.01 Тл (2), Bx=0.1 Тл (3); (б) ε=750 В, Bx=0.005 Тл (1), Bx=0.01 Тл (2), Bx=0.05 Тл (3), Bx=0.1 Тл (4); (в) ε=1000 В, Bx=0.005 Тл (1), Bx=0.01 Тл (2), Bx=0.05 Тл (3), Bx=0.1 Тл (4), Bx=0.15 Тл (5), Bx=0.2 Тл (6).

Скачать (577KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Поля электродинамических функций при ε=500 В, Bx=0.005 Тл; (а) концентрации ионов (Ni = ni/n0, слева) и электронов (Ne = ne/n0, справа); (б) электрический потенциал (Fi=φ/ε, слева) и приведенное поле (EDP=E/p В/(см·Торр), справа); (в) осевые скорости ионов (VIX = Vi,x см/с, слева) и электронов (VEX = Ve,x см/с, справа).

Скачать (763KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Осевая скорость электронов (а) и ионов (б) при ε=500 В, Bx=0.005 Тл (1), Bx=0.01 Тл (2) и Bx=0.1 Тл (3).

Скачать (183KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Поля электродинамических функций при ε=500 В, Bx=0.15 Тл; (а) концентрации ионов (Ni = ni/n0, слева) и электронов (Ne = ne/n0, справа); (б) электрический потенциал (Fi=φ/ε, слева) и приведенное поле (EDP=E/p В/(см·Торр), справа);(в) осевые скорости ионов (VIX = Vi,x см/с, слева) и электронов (VEX = Ve,x см/с, справа).

Скачать (460KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Осевая скорость электронов (а) и ионов (б) при ε=750 В, Bx=0.001 Тл (1), Bx=0.005 Тл (2) и Bx=0.1 Тл (3).

Скачать (176KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Поля электродинамических функций при ε=1000 В, Bx=0.01 Тл; (а) концентрации ионов (Ni = ni/n0, слева) и электронов (Ne = ne/n0, справа); (б) осевые скорости ионов (VIX = Vi,x см/с, слева) и электронов (VEX = Ve,x см/с, справа).

Скачать (292KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Осевая скорость электронов (а) и ионов (б) при ε=1000 В, Bx=0.005 Тл (1), Bx=0.01 Тл (2) и Bx=0.1 Тл (3).

Скачать (340KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Поля дрейфовых скоростей заряженных частиц при ε=1000 В, Bx=0.1 Тл; (а, б) Осевые скорости ионов (VIX = Vi,x см/с, слева) и электронов (VEX = Ve,x см/с, справа); (в, г) радиальные скорости ионов (VIR = Vi,r см/с, слева) и электронов (VER = Ve,r см/с, справа).

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Поля электродинамических функций при ε=1000 В, Bx=0.1 Тл; (а) концентрации ионов (Ni = ni/n0, слева) и электронов (Ne = ne/n0, справа); (б) электрический потенциал (Fi=φ/ε, слева) и приведенное поле (EDP=E/p В/(см·Торр), справа).

Скачать (674KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Радиальные распределения в сечении разрядной камеры х=0.55 см дрейфовых (GeRT, GiRT) и диффузионных (GeRD, GiRD) потоков ионов и электронов при ε=1000 В, Bx=0.1 Тл. На рис. 11б показаны распределения вблизи оси симметрии.

Скачать (230KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Распределение по радиусу разрядной камеры в сечении х=0.55 см энергии осевых, радиальных и азимутальных потоков электронов при ε=1000 В, Bx=0.1 Тл.

Скачать (132KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Осевые распределения приведенного поля (EdP=E/p), энергии электронов (e-Energy) и ионов (Ion-Energy) при ε=1000 В; (а) Bx=0.01 Тл, (б) Bx=0.1 Тл, (в) Bx=0.15 Тл.

Скачать (655KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024