Моделирование импульсно-периодического разряда в виде высокоскоростной волны ионизации в гелии и хлоре

• Автор: Бутин, Олег Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 217 с. : ил

Содержание
Использованные сокращения и обозначения
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Основные стадии импульсного пробоя газовых промежутков
1.1.1. Развитие электронной лавины на начальной стадии импульсного пробоя
1.1.2. Стримерный механизм развития проводящего канала
1.1.3. Волны ионизации при пробое газовых промежутков
1.2. Высокоскоростные волны ионизации в длинных разрядных трубках
1.2.1. Об истории исследования ВВИ
1.2.2. Основные онниппельные особенности ВВИ
1.2.3. Скорость ВВИ, динамика скорости. Зависимость скорости от разрядных условий
1.2.4. Ток ВВИ
1.2.5. Структура ВВИ
1.2.6. Энерговклад в газ при движении ВВИ
1.2.7. Возникновение высокоэнергетичных электронов во фронте ВВИ
1.2.8. Излучение ВВИ
1.2.9. Применения ВВИ
1.3. Теоретические исследования волн ионизации
Глава 2. Модельное описание волны ионизации
2.1. Основные предположения
2.2. «Полуторамерная» модель распространения волны ионизации
2.2.1. Предположения, позволяющие уменьшить размерность модели
2.2.2. Проверка допустимости дальнейшего упрощения постановки задачи при описании ВВИ в рассматриваемом диапазоне условий
2.2.3. Аппроксимация сечений элементарных процессов
2.2.4. Описание распространения потенциала
2.2.5. Аппроксимация функции распределения электронов по энергиям
2.2.6. Уравнение сохранения количества частиц
2.2.7. Уравнение сохранения количества движения
2.2.8. Уравнение сохранения энергии электронного ансамбля
2.2.9. Баланс энергии при распространении ВВИ
2.2.10. Тепловой режим разрядной трубки
2.2.11. Учет волнового сопротивления подводящей линии
2.2.12. О методике решения уравнений полуторамерной модели
2.3. Двумерная модель волны ионизации в экранированной разрядной трубке
2.3.1. Распространение потенциала
2.3.2. Уравнение сохранения количества частиц
2.3.3. Уравнение сохранения импульса электронов
2.3.4. Уравнение сохранения энергии электронов
2.3.5. Баланс вложенной энергии
2.3.6. Метод решения уравнений двумерной модели
Выводы к главе
Глава 3. Теоретическое исследование высокоскоростной волны ионизации в инертном газе (гелии)
3.1. Краткое описание кинетических процессов в гелии
3.2. Электродинамические характеристики волн положительной и отрицательной полярности
3.2.1. Динамика потенциала в ВВП
3.2.2. Электрическое поле в ВВИ
3.2.3. Развитие колебаний за фронтом ВВИ
3.2.4. Ток в волне ионизации и его влияние на распределение потенциала
3.2.5. Затухание волны ионизации
3.2.6. Скорость волны ионизации
3.2.7. Критерий подобия в волне ионизации
3.2.8. Энергия свободных электронов в ВВИ
3.2.9. Концентрация электронов в ВВИ
3.2.10. Энерговклад в высокоскоростной волне ионизации
3.2.11. О сопоставлении различных вариантов модели
Выводы к главе
Глава 4. Распространение высокоскоростной волны ионизации в электроотрицательном газе (хлоре)
4.1. Основные кинетические процессы в хлоре
4.1.1. Ионизация
4.1.2. Объемная рекомбинация зарядов
4.1.3. Рекомбинация, диссоциация и диффузия тяжелых компонентов
4.1.4. Рассеяние, возбуждение и девозбуждение
4.1.5. Налипание и отлипание электронов, перезарядка
4.2. Электродинамические характеристики волн положительной и отрицательной полярности
4.2.1. Распространение потенциала ВВИ в хлоре
4.2.2. Напряженность электрического поля ВВИ
4.2.3. Ток волны ионизации
4.3. Кинетические характеристики положительных и отрицательных волн
4.3.1. Появление электронов перед фронтом волны ионизации
4.3.2. Динамика концентрации электронов в разряде
4.3.3. Энергия электронов в волне ионизации
4.4. Скорость волны ионизации и поглощение энергии в разряде
4.4.1. Скорость ВВИ в хлоре
4.4.2. Энерговклад в волну ионизации
Выводы к главе
Заключение
Приложение. Алгоритм решения пространственно-двумерного уравнения типа уравнения Пуассона или диффузии/теплопроводности
1. Постановка задачи
2. Алгоритм решения
3. Контроль решения
Список литературы
Рисунки к главам 3 и

Использованные сокращения и обозначения
ВВИ — высокоскоростная волна ионизации;
ВВ - «высоковольтный»; г - радиус-вектор точки;
г - продольная координата в цилиндрической системе координат; г - радиальная координата в цилиндрической системе координат; г - шаг расчетов по времени;
Ьтр - длина разрядной трубки (расстояние между электродами);
I - «база» измерений при расчете средней скорости движения ВВИ; г) - внутренний радиус разрядной трубки;
Гу - внешний радиус разрядной трубки;
/?д. - радиус экрана разрядной трубки;
£у - диэлектрическая проницаемость вещества стенки трубки;
е1 - диэлектрическая проницаемость заполнения между трубкой и экраном;
£эфф - эффективное значение диэлектрической проницаемости пространства «трубка-экран»;
Zy) - волновое сопротивление подводящей кабельной линии;
N - концентрация газа в трубке;
Р - давление газа;
Т0 - начальная температура газа;
Т? - текущая температура газа;
Тпад - общая длительность падающего на разрядную ячейку высоковольтного импульса;
Тр - длительность переднего фронта высоковольтного импульса;
Тв - длительность переднего фронта высоковольтного импульса; иим„, иге„о - амплитуда высоковольтного импульса генератора; ивв(0 ■ текущее значение напряжения на высоковольтном электроде;
Нуу - максимальная величина напряжения на высоковольтном электроде;
Ффр - потенциал на задней кромке фронта волны (падение напряжения во фронте);
(р - потенциал плазмы;
Е - вектор напряженности электрического поля в разряде;
Ег - напряженность продольного электрического поля,
Ег - напряженность радиального электрического поля;
идр - вектор дрейфовой скорости электронов;
и2 - продольная составляющая дрейфовой скорости электронов;
иг - радиальная составляющая дрейфовой скорости электронов;
а, - первый ионизационный коэффициент Таунсенда;
5,- - частота ударной ионизации;

при понижении давления эффект этого механизма становится еще меньше. Если в смеси газов значимость его еще может быть достаточно высокой (например, в воздухе возможна прямая фотоионизация молекул кислорода излучением азота), то в однокомпонентном газа (особенно в инертных газах) более вероятным механизмом образования свободных электронов при высоких плотностях является вынос резонансного излучения с последующей ассоциативной ионизацией возбужденных атомов или молекул [2].
В воздухе и электроотрицательных газах одним из механизмов может быть разрушение отрицательных ионов в сильных электрических полях [107]. Частота отлипания электрона становится равной частоте налипания при полях в несколько МВ/м. Например, космическое излучение дает -10 см"3/с электрон-ионных пар. что

соответствует концентрации отрицательных ионов —10“ см"'. При их разрушении примерно такая же концентрация электронов может быть создана перед фронтом волны ионизации.
При построении описывающих распространение волн ионизации систем уравнений задача обычно решается в одномерном приближении, поскольку решать двух- и трехмерную задачу не позволяет громадный объем вычислений. Для ввода одномерного приближения либо производится усреднение параметров по сечению канала, либо вводятся некие соотношения между изменениями характеристик волны в продольном и поперечном направлениях. В работе [108] была сформулирована система уравнений, описывающая пробой при скорости изменения потенциала
высоковольтного электрода Ю3 з-106 В/с. Нарастание потенциала в промежутке

постоянные сопротивление и емкость канала соответственно. Как указано в [108],
зарядка емкости «плазма-экран» является определяющим процессом при движении
медленных волн ионизации со скоростями порядка 10 см/с, возникающих при пробое длинных газоразрядных трубок при малой амплитуде импульса и невысокой скорости нарастания потенциала. Однако, данная модель неприменима при высокой крутизне фронта волны ионизации, поскольку в таких случаях сопротивление и емкость системы сильно изменяются в процессе распространения волны.
В работе [44] волна ионизации рассматривается как ударная волна в
электронном газе. Использованная трехжидкостная гидродинамическая модель, в которой источником движения является давление электронного газа за фронтом волны, позволила автору при моделировании плазмы водорода получить скорость
2 • 109 см/с в приложенном поле 104 В/м при давлении 0.2 Topp. Для объяснения высокой скорости распространения волны автору пришлось построить решения с
завышенными значениями электронной температуры за фронтом (до 3-10 К), что на два порядка выше значений, измеренных экспериментально [50] (при этом следует заметить, что измеренные температуры также могут быть завышенными, поскольку измерения сделаны по относительной интенсивности линий в сильно неравновесных условиях).
Удачной оказалась идея описания продвижения волны ионизации как процесса распространения электромагнитного импульса по системе с распределенными