Численное моделирование электронно-пучковой плазмы в объеме, ограниченном твердыми стенками

• Автор: Лысенко, Сергей Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Постановка задачи, актуальность темы исследования. Научная новизна работы. Научное и практическое значение. Цель работы и положения, выносимые на защиту. Структура диссертации.

Глава 1. Электронно-пучковая плазма

Распространение электронных пучков в среде. Упругое рассеяние. Ионизация атомов и молекул при столкновениях. Возбуждение атомов и молекул при столкновениях. Плазмохимические процессы. Макроскопические процессы.

Глава 2. Анализ физического эксперимента

2.1. Схема экспериментальной установки.

2.2. Физические процессы во время эксперимента.

Глава 3. Элементарные процессы при распространении и взаимодействии электронного пучка с материальной средой
3.1. Численное моделирование взаимодействия пучка ускоренных электронов с газовой средой в ограниченном твердыми стенками пространстве.

3.2. Упругие столкновения.

3.3. Ионизация атомов аргона.

3.4. Возбуждение атомов аргона.

3.5. Полные потери энергии электронов в аргоне.
3.6. Потери энергии электронов в материале стенки камеры.
Глава 4. Самосогласованная задача распространения пучка электронов
4.1. Тепловое поле - анализ процессов.
4.2. Тепловое поле - численные решения.
4.3. Экспериментальная проверка.
Глава 5. Тестирование. Численный эксперимент. Влияние стенки камеры и параметров моделирования на ионизационные процессы в объеме камеры
5.1. Тестирование алгоритма взаимодействия электронного пучка с веществом.
5.2. Взаимодействие электронного пучка со стенкой рабочей камеры.
5.3. Влияние спектра электронов на ионизацию газа.
5.4. Влияние материала стенки на ионизацию газа.
5.5. Влияние порога обрезания траектории на долю поглощенной мощности в газе.
Глава 6. Ионизационно-рекомбинационные процессы в аргоне
6.1. Кинетическая модель плазмы.
6.2. Зависимость плотности электронов от параметров газа и пучка.
6.3. Результаты самосогласованного расчета и сравнение с экспериментом
6.4. Влияние электронной температуры на радиальное распределение электронов.
Глава 7. Распад плазмы аргона после отключения электронного пучка
Глава 8. СВЧ зондирование плазмы
8.1. Взаимодействие электромагнитных колебаний резонатора с плазмой.
8.2. Метод нахождения резонансных решений.
8.3. Резонансные решения для открытого цилиндрического резонатора.
Глава 9. Моделирование распространения электронов в гетерогенной среде
9.1. Экспериментальное исследование гетерогенных сред.
9.2. Моделирование распространения электронов в аэрозольных средах.
Заключение
Литература
Приложение 1. Методы формирования случайных величин по заданным распределениям. 98 Приложение 2. Теплопередача излучением
Приложение 3. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений температуры на поверхности кварцевой трубки
Приложение 4. Кинетические процессы в электронно-пучковой плазме аргона
Приложение 5. Результаты типового расчета по программе «МС_б1ш»
Приложение 6. Электронная температура
Сокращения
ЭП - электронный пучок
ЭПП - электронно-пучковая плазма.
ГП - гибридная плазма.
ХПК - химическое потребление кислорода.
СПАВ — синтетические поверхностно-активные вещества.
В [62] приводятся экспериментальные и теоретические данные по отражению электронов полубесконечной средой - воздухом. На рис. 5.1. для сравнения приведем их и данные расчета по алгоритму, предложенному в этой работе в диапазоне энергий от 1 кэВ до 25 кэВ. Пунктирные линии расчет Лп и Яе по алгоритму данной работы, сплошные линии - данные [62]. Имеется хорошее соответствие, что подтверждает правильность используемого алгоритма.
Отметим, что зависимость коэффициентов отражения от энергии электронов слабая. Для воздуха в диапазоне от 1 кэВ до 25 кэВ их можно аппроксимировать формулами:
Ле = 0,258 •£Ч)-,93; = 0,330-£~°’160
Из проведенного тестирования можно сделать вывод о том, что существующие достижения в решении задач распространения электронных пучков нами усвоены хорошо, и мы можем их применять и развивать применительно к нашим задачам.
Далее приводим результаты численного эксперимента по исследованию влияния стенки рабочей камеры на процессы образования электронно-пучковой плазмы.
5.2. Взаимодействие электронного пучка со стенкой рабочей камеры.
Поскольку в эксперименте, на который нацелена данная работа, корпус рабочей камеры оказывает существенное влияние на распространение электронного пучка, а в литературе этот вопрос до сих пор детально не описан, то взаимодействию электронного пучка со стенкой следует уделить внимание.
Рассеяние электронного пучка на внутренней поверхности корпуса рабочей камеры будет рассмотрено на конкретном примере соответствующем проведенному эксперименту. Это описание является расширением представления о скрытых процессах протекающих во время эксперимента.
Пучок электронов током 15 мА с начальной энергией 25 кэВ попадает в рабочую камеру, заполненную аргоном до давления 12 Тор, через отверстие диаметром 1 мм расположенное в середине торца цилиндрической камеры и имеет первоначальное направление движения вдоль оси камеры (Рис.В.1). В процессе распространения электронного пучка по газовой среде происходят упругие и неупругие столкновения, приводящие к отклонению траекторий электронов от первоначального направления движения, в результате чего рано или поздно они попадают на внутреннюю поверхность корпуса рабочей камеры.
При помощи компьютерного моделирования была прослежена история 500 тысяч траекторий электронов, на основании чего можно ответить на ряд вопросов. Собственно процессы в материале стенки нас не интересуют сами по себе. Нас они интересуют с точки зрения их влияния на процессы внутри рабочей камеры, т.е. на процессы формирования электронно-пучковой плазмы.