Моделирование пучка убегающих электронов в газовых разрядах высокого давления

• Автор: Орешкин, Евгений Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ЕЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1Л. У бегающие электроны в плазме

1.2. Убегающие электроны в газовых разрядах

1.3. Пробой на убегающих электронах

ГЛАВА 2. ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ДЛИННЫХ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДАХ

2.1. Расчет тормозного излучения электронов

2.2. Динамика электрона, инжектированного с головки

адонаправленного стримера

2.3. Тестирование расчетных алгоритмов. Пробеги электронов в
воздухе
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА
УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ДЛИННЫХ ГАЗОВЫХ
РАЗРЯДАХ
3.1. Инжекция электронов с головки стримера
3.2. Модель эволюции пучка убегающих электронов
3.3. Упругие столкновения электронов с атомами
3.4. Результаты численных расчетов

3.5. Тестирование расчетных алгоритмов. Кулоновское
расталкивание частиц
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. Лавины убегающих электронов в газовых разрядах с
большим перенапряжением
4.1. Моделирование процесса формирования лавины УЭ
4.2. Моделирование эволюции пучка убегающих электронов в
газовых разрядах с большим перенапряжением
4.3. Тестирование расчетных алгоритмов. Экспоненциальная
длина нарастания лавины УЭ
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Явление пробоя газа в сильных электрических полях известно уже более 200 лет. На протяжении этого периода оно интенсивно исследовалось и к настоящему времени нашло свое применение в различных технических приложениях [14; 44; 81; 84]. Однако, несмотря на огромный прогресс в исследовании данного явления далеко не все процессы, протекающие при пробое газа в электрических полях, еще достаточно хорошо изучены. Это относится к импульсному пробою газа при давлениях близких к атмосферному, когда на стадии пробоя рождаются убегающие электроны (УЭ), появление которых сопровождается формированием импульса рентгеновского излучения [7; 9; 15; 31; 60; 96; 100].
Физическое описание процессов, протекающих при формировании пучка убегающих электронов в газовых разрядах, основываются либо на решении кинетических уравнений [40; 51] либо на решении уравнений движения отдельных частиц [18; 25; 45; 55]. В моделях, описывающих динамику УЭ, определяющую роль играют как взаимодействие электронов с электрическими полями (внешним полем и полем объемного заряда), так их столкновения с атомами газа. В итоге, уравнения, описывающие эволюцию пучка УЭ, становятся нелинейными и их аналитическое решение возможно лишь в тривиальных случаях. Поэтому численное моделирование стало неотъемлемой частью теоретических методов исследования убегающих электронов в газовых разрядах. Кроме того, экспериментальные методы исследования сталкиваются с большими трудностями, связанными в первую очередь с малыми временными и пространственными масштабами задачи [16; 28; 43; 92]. В подобной ситуации роль численного моделирования еще более возрастает и становится чрезвычайно высокой.

Здесь * = 0 соответствует поверхности стримера;

—~ —— - среднее значение напряженности

электрического поля в межэлектродном зазоре длиной /I); С/ — напряжение на зазоре. Так как поле быстро спадает в масштабе, определяемом величиной гз1, то для созданий условия непрерывного ускорения электронов поля на головке стримера должны быть больше Есп определенного (2.3).
Длина стримера и напряженность электрического поля на его головке Ез1, при которой электроны переходят в режим непрерывного ускорения, определялись с помощью созданной компьютерной программы «БПИМЕЯ». В этой программе численно решалось уравнение движение электрона (2.1), в котором поле задано выражением (2.6), а спектральное распределение и пространственное распределение тормозного излучения определялось с помощью выражения (2.4). В расчетах считалось, что воздух, которым наполнен разрядный промежуток, состоит из азота (78% от массы), кислорода (21%) и аргона (1%). Для газовой смеси такого состава при атмосферном давлении и температуре 300 К критическое значение поля равно £сг» 410 кэВ.
Результаты численного решения приведены на рис. 2.4-2.5. Как видно из Рис. 2.4, в условиях экспериментов на установке ЭРГ длина стримера, при которой достигаются условия «убегания», около 2 см, а при радиусах стримера, которые наблюдаются в экспериментах, напряженность поля на его головке превышает критическое напряжение на 25-40 % (Рис. 2.5). Так как расчетная длина стримеров, при которой реализуются условия «убегания», и экспериментально измеренная длина стримера, при которой возникает импульс рентгеновского излучения, хорошо согласуются, то можно сделать вывод, что импульс
В-Ь. +