СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЛЕЮЩИХ РАЗРЯДОВ В ВОЗДУШНЫХ СМЕСЯХ

Предмет исследования. Представлены результаты исследованиявозможности численного моделирования разрядов в газовых смесях в рамках современной модели нелокальной плазмы путем построения последовательности плазмохимических и численных моделей тлеющего разряда и сопоставления получаемых по ним результатов с экспериментом. Метод. Использован методсоздания серий поэтапно усложняющихся моделей. Его сущность заключается в расширении номенклатуры учитываемых элементарных процессов в нелокальной плазме тлеющего разряда в воздухе. Воздух рассматривается как смесь азота и кислорода при пониженных давлениях в условиях, удобных для экспериментальной проверки. Для каждой итерации схемы плазмохимических процессов построены соответствующие численные модели газоразрядной плазмы. С их помощью рассчитаны зависимости от давления электрических параметров разрядного промежутка. Расчетные зависимости сопоставлены с экспериментом и результатами предшествующих компьютерных моделей. Основные результаты.  Создана модель, обеспечивающая хорошее согласие с экспериментально полученными зависимостями падения напряжения на разрядном промежутке от давления газа в областях нормального и аномального тлеющих разрядов. С помощью уточненной модели подобрано оптимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии с катода. Получены пространственные распределения внутренних параметров нелокальной плазмы (продольные и поперечные профили электрического потенциала, концентраций электронов и ионов, электронной температуры), подлежащие дальнейшей экспериментальной проверке. Практическая значимость.  Созданные модели перспективны для диагностики параметров и настройки свойств микроразрядов в воздухе. Полученные модели имеют множество потенциальных приложений, включая развиваемый метод электронной столкновительной спектроскопии (CES) газовых смесей.

1. Кудрявцев А.А., Смирнов А.С., Цендин Л.Д. Физика тлеющего разряда. СПб.: Лань, 2010. 512 с.
2. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 490 с.
3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, Физматлит, 1987. 592 с.
4. Богданов Е.А., Капустин К.Д., Кудрявцев А.А., Чирцов А.С. Сопоставление различных вариантов гидродинамического (fluid) моделирования продольной структуры микроразряда атмосферного давления в гелии // ЖТФ. 2010. Т. 80. № 10. С. 41–53.
5. Kapustin K., Kudryavtsev A., Bogdanov E., Chirtsov A. Nonlocal behavior of electron fluxes and excitation rates for “local” EEDF in moderate and high pressures DC positive column plasmas // IEEE Transactions on Plasma Science. 2011. V. 39. N 11. P. 2580–2581. doi: 10.1109/TPS.2011.2140385
6. Елисеев С. И., Демидов В. И., Кудрявцев А. А., Колобов В. И., Богданов Е.А., Чирцов А.С. Моделирование импульсного пробоя в гелии с использованием адаптивных методов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 5(93). С. 139–146.
7. Bogdanov E.A., Chirtsov A.S., Kudryavtsev A.A. Fundamental nonambipolarity of electron fluxes in 2D plasmas // Physical Review Letters. 2011. V. 106. N 19. Art. 195001. doi: 10.1103/PhysRevLett.106.195001
8. Kaganovich I.D., Demidov V.I., Adams S.F. and Raitses Y. Non-local collisionless and collisional electron transport in low-temperature plasma // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2009. V. 51. N 12. Art 124003. doi: 10.1088/0741-3335/51/12/124003
9. Comsol introduction. Humusoft [Электронный ресурс]. URL: www.humusoft.com/comsol (дата обращения 30.08.2016).
10. Ashihara O. The electron energy loss rates by polar molecules // Institute of Space and Aeronautical Science, Tokyo. 1975. V. 40. N 530. P. 257.
11. Dalidchik F.I., Sayasov Yu.S. Recombination of electrons in molecular gases // Journal of Experimental and Theoretic Physics. 1965. V. 49. P. 302–305.
12. Rudge M.R.H. Theory of ionization of atoms by electron impact // Reviews of Modern Physics. 1968. V. 40. P. 564. doi: 10.1103/RevModPhys.40.564
13. Biagi Database. Plasma Data Exchange Project [Электронный ресурс]. URL: www.lxcat.net/Biagi (дата обращения 22.04.2016).
14. Morgan (Kinema Research & Software) Database [Электронный ресурс]. URL: www.lxcat.net/Morgan (дата обращения 22.04.2016).
15. Phelps Database IST-Lisbon Database [Электронный ресурс]. URL: www.lxcat.net/Phelps (дата обращения 22.04.2016).
16. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. М.: Наука, 1973. 142 с.
17. Фок В.А. Начала квантовой механики. М.: Наука, 1976. 376 с.
18. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: Физматгиз, 1963, 640 с.
19. Sychov S., Chirtsov A. Genetic algorithm as a means for solving a radial Schrödinger equations system // Proc. XIX Int. Conf. on Soft Calculations and Measurements. St. Petersburg, 2003. P. 489–492.
20. Тухватулин А.И., Сысолятина Е.В., Щебляков Д.В. и др. Низкотемпературная плазма вызывает p53-зависимый апоптоз клеток карциномы кишечника // Acta Naturae. 2012. Т. 4. № 3. С. 87–92.
21. Стройкова И.К., Максимов А.И. Обеззараживание растворов тлеющим и диафрагменным разрядами атмосферного давления // Электронная обработка материалов. 2002. Т. 38. №6. С. 43–49.
22. Калинин Н.Г., Бошкова И.Л., Панченко Г.И., Коломийчук С.Г. Влияние низкочастотного и высокочастотного электромагнитного поля на семена // Биофизика. 2005. Т. 50. №2. С. 361–366.
23. Кудрявцев А.А., Мустафаев А.С., Цыганов А.Б., Чирцов А.С., Яковлева В.И. Спектры энергии электронов в гелии, наблюдаемые в микроплазменном детекторе CES // ЖТФ. 2012. Т. 82. № 10. С. 1–6.
24. DeJoseph Jr., C.A., Demidov V.I., Kudryavtsev A.A. Nonlocal effects in a bounded low-temperature plasmas with fast electrons // Physics of Plasmas. 2007. V. 14. N 5. Art. 057101. doi: 10.1063/1.2436470
25. Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A., Ochikova Z.S. Main scenarios of spatial distribution of charged and neutral components in SF6 plasma // IEEE Transactions on Plasma Science. 2013. V. 41. N 12. P. 3254–3267. doi: 10.1109/TPS.2013.2278839
26. Walker J.J., Koepke M.E., Zimmerman M.I., Farrell W.M., Demidov V.I. Analytical model for gyro-phase drift arising from abrupt inhomogeneity // Journal of Plasma Physics. 2014. V. 80. N 3. P. 395–404. doi: 10.1017/S0022377813001359
27. Bogdanov E.A., Demidov V.I., Kaganovich I.D., Koepke M.E., Kudryavtsev A.A. Modeling a short DC discharge with thermionic cathode and auxiliary anode // Physics of Plasmas. 2013. V. 20. N 10. Art. 101605. doi: 10.1063/1.4823464
28. Koepke M.E., Walker J.J., Zimmerman M.I., Farrell W.M., Demidov V.I. Signature of gyro-phase drift // Journal of Plasma Physics. 2013. V. 79. N 6. P. 1099–1105. doi: 10.1017/S0022377813001128
29. Astafiev A.M., Gutsev S.A., Kudryavtsev A.A. Study of the discharge with an electrolytic electrode (Gatchina’s discharge) // Вестник СПбГУ. Серия 4. Физика. Химия. 2013. № 4. С. 139–142.
30. Барзилович К.А., Богданов Е.А., Кудрявцев А.А. Критерий обращения поля в коротком тлеющем разряде и его зависимость от параметров используемой гидродинамической модели // ПЖТФ. 2014. Т. 40. №13. С.88–94.
31. Bogdanov E.A., Demidov V.I., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I. Is the negative glow plasma of a direct current glow discharge negatively charged? // Physics of Plasmas. 2015. V. 22. N 2. Art. 024501. doi: 10.1063/1.4907192
32. Богданов Е.А., Кудрявцев А.А., Очикова З.Н., Чирцов А.С. Нарушение распределения Больцмана для плотности электронов плазмы в двухкамерных ICP-разрядах // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 10. С. 155–158.
33. Chen Z., Yin Z., Huang Y., Stepanova O.M., Gutsev S.A., Kudryavtsev A.A. More efficient microwave argon plasma jet with a symmetric hairpin copper wire at atmospheric pressure // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. V. 43. N 3. P. 906–907. doi: 10.1109/TPS.2015.2393552
34. Чернышева М.В., Марек В.П., Чирцов А..С., Швагер Д.А. Компьютерное моделирование при изучении физических процессов в тлевшем разряде в воздушных смесях при низких давлениях // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. №3 (91). С. 140–148.
35. Райзер Ю.П. Высокочастотный индукционных разряд высокого давления и безэлектродный плазматрон // УФН. 1969. Т. 99. С. 687–712.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License