free-vestnik-ВЕСТНИК_2014_6-3_Базарсадаев_и_др

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

Б.Ц. Базарсадаев, преподаватель, e-mail: bazarsadaevbs@mail.ru А.П. Ринчинов, канд. техн. наук, доц., e-mail: Rinchinov@yandex.ru

Э.Л. Санеев, канд., физ.-мат. наук, доц., e-mail: sanedu@mail.ru

В.Б. Шагдаров, канд. физ.-мат. наук, доц., e-mail: fizika@esstu.ru

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ

УДК 537.523

ФОРМИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ТОКА В НЕРАВНОВЕСНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЕ

АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ «ОСТРИЕ ПЛОСКОСТЬ»

Проведен расчет динамики развития нестационарных процессов в неравновесной аргоновой плазме атмосферного давления, инициированного в системе«острие плоскость». Установлены непрерывные токовые импульсы в результате образования положительного пространственного заряда в прикатодной области, рекомбинация которых приводит к исчезновению вторичных электронов. Токовые импульсы, согласующиеся с экспериментом, возникают при образовании молекулярных ионов Ar2+.

Ключевые слова: коронный разряд, импульсы тока, моделирование, рекомбинация.

B.T. Bazarsadaev, Teacher

A.P. Rinchinov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.

E.L. Saneev, Cand. Sc. Physics and Maths, Assoc. Prof.

V.B. Shagdarov, Cand. Sc. Physics and Maths, Assoc. Prof.

CREATING OF CURRENT PULSES IN NON-EQUILIBRIUM

LOW-TEMPERATURE ARGON PLASMA

AT ATMOSPHERIC PRESSURE IN THE TIP PLANE SYSTEM

The calculation of the dynamics of non-stationary processes in non-equilibrium argon plasma at atmospheric pressure initiated in the tip-plane system is carried out. Continuous current pulses due to the formation of a positive space charge near the cathode, which recombination leads to the disappearance of the secondary electrons are identified. Current pulses that are consistent with experiment, appear with the formation of Ar2+ molecular ions.

Key words: corona discharge, current pulse, modeling, recombination.

Введение

Неравновесная плазма при атмосферном давлении используется во многих технологиях. Например, в предыонизации газа в лазерных установках, модификации поверхностных свойств и т.д. [1]. Резкая неоднородность поля в межэлектродном промежутке и локализация процессов около электродов затрудняет экспериментальное изучение кинетики протекающих здесь процессов. В настоящее время разработаны модели развития разряда с участием метастабильных атомов, и при

этом расчетная кинетика электронов позволяет оценить константы элементарных процессов при определенных условиях развития разряда, с учетом электрон-электронных столкновений[2, 3]. Также широко известны основные элементарные процессы в аргоновой плазме[4-6]. Согласно оценке константы скоростей этих процессов, можно выделить процессы ионизации, ступенчатой ионизации, ассоциативной и пеннинговской ионизации с участием возбужденных и метастабильных атомов, а также реакции конверсии. В настоящей работе предлагается решение самосогласованной задачи, основыванной на совместном решении уравнения баланса частиц и уравнения Пуассона, учетом выноса метастабильных и возбужденных атомов с разрядной области и изменения вида функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ).

Проведено сравнение рассчитанных физических величин с экспериментальными значениями. При развитии разряда, инициированного в системе«острие плоскость» в атмосфере аргона, на начальной стадии имеются непрерывные импульсы тока. Исследована динамика его развития на основе представленной модели.

15

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

Модель развития разряда

Рассматривается модель, учитывающая образование и гибель возбужденных атомов и молекулярных ионов, на основе которой можно исследовать динамику развития элементарных

Свойства низкотемпературной плазмы разрядов в газах повышенного давления при небольших значениях степени ионизации во многом определяются столкновениями электронов с атомами газа. Частоты упругих и неупругих столкновений при этом, как правило, превышают обратные времена

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

компонентный состав плазмы и концентрации возбужденных атомов. Наиболее последовательный подход при решении указанной проблемы в условиях, когда можно пренебречь газодинамическими эффектами, а электрическое поле считать однородным, состоит в совместном решении кинетического уравнения Больцмана для ФРЭЭ и уравнений баланса для концентрации нейтральных, заряженных и возбужденных частиц. Совместное решение этих уравнений позволяет определить наиболее важные характеристики плазмы, такие как транспортные коэффициенты(электронная и ионная проводимость, теплопроводность), дрейфовую скорость Vdre, коэффициент диффузии De, среднюю характеристическую энергию электроновTe. Ввиду определенных ограничений по экспериментальным данным рассматривается методика нахождения константы возбужденияkst во всем межэлектродном промежутке. Рассмотрение кинетики электронного газа, а также уравнения

баланса совместно с уравнением Больцмана и транспортными коэффициентами позвол реализовать методику последовательного расчета динамики развития с учетом изменяющихся параметров плазмы.

Результаты расчетов

Расчеты проводились в аргоне для следующих экспериментальных условий: острие катода радиусом r=25 мкм; анод представляет собой диск диаметромD=11 см; межэлектродное расстояние d=4 см; прикладываемое напряжение U =3 кВ; давление атмосферное p=1 атм; расход газа G=10-5 кг/с. Радиус сечения разряда в области развития берется из экспериментальных данных визуальным наблюдениям.

Увеличение концентрации электронов в прикатодной области обусловлено Таунсендовским механизмом размножения. Вследствие ионизации происходит увеличение количества электронов и ионов, а также молекулярных ионов в генерационной зоне, о чем свидетельствуют рисунки 1-3, на которых представлена динамика их концентрации вдоль оси острия катода в моменты времени 100÷1000 нс. Рост концентрации молекулярных ионов обусловлен реакцией конверсии и при ~200 нс концентрация ионов Ar+ практически исчезает в прикатодной области, также незначительное увеличение молекулярных ионов появляется за счет ассоциативной реакции метастабильных и возбужденных атомов. Волна ионизации в прикатодной области рождает возбужденные атомы и ионы. Следствием столкновения возбужденных и метастабильных атомов между собой и нейтральными атомами генерирует молекулярные ионы, которые дрейфуют к катоду. Различие

ионы, преодолевая генерационную зону достигают максимума непосредственно в прикатодной области. За счет роста молекулярных ионов в прикатодной области и непосредственн столкновения с катодом образуются вторичные электроны, что способствует дальнейшему развитию разряда. Концентрация положительных ионов Ar+ значительно снижается уже при 200 нс.

Молекулярные ионы Ar2+ только начинают расти, и максимум тока в импульсе соотносится ко времени максимальной концентрации молекулярных ионов на катоде(рис. 5 a). При этом максимум ионного тока и максимум напряженности поля, созданной пространственным положительным зарядом (рис. 4 b), сотносится ко времени этого процесса. При дрейфе молекулярных ионов к катоду за счет диссоциативной рекомбинации происходит гибель электронов в прикатодной области. Численное значение скоростей ионно-электронной эмиссии и рекомбинации молекулярных ионов с течением времени показаны на рисунке5 b, и при условиях, указанных ранее, происходит

пересечение этих кривых, а дальнейший рост скорости рекомбинации молекулярных ионов при условии уменьшения вторичных электронов приводит к нарушению условия самоподдержания, т.е. исчезновению вторичных электронов. По мнению некоторых ученых, именно данное обстоятельство приводит к появлению токовых импульсов. На рисунке 5 b наличие первого пика в графике скорости рекомбинации относится ко времени преобладания рекомбинации над скоростью вторично эмиссии. Дальнейший рост скорости рекомбинации обусловлен дрейфовым продвижение молекулярных ионов к катоду, что на графике(рис. 5 b) выражено вторым пиком скорости рекомбинации.

17

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

c

Рис. 1. Динамика развития концентрации электронов в разрядной области: a-100-1000 нс; b 1-3 мкс; с динамика развития концентрации ионов Ar+ в разрядной области

участке времен от начала развития первой волны ионизации. Из графика видно, что значение ионной концентрации спадет уже при200 нс, данный спад приводит к росту концентрации молекулярного иона. И дальнейший рост молекулярных ионов непосредственно в прикатодной области приводит к уменьшению электронов вплоть до их исчезновения при временах ~200 нс от начала развития первой волны ионизации. При напряжении U=3 кВ на межэлектродном промежутке весь пространственный положительный заряд молекулярных ионов Ar2+ достигнет в прикатодной области (непосредственно вблизи поверхности катода) таких малых значений, что случайный электрон в генерационной зоне не

18

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

начнет развитие новой волны ионизации. Такое предположение описывает развитие токовых импульсов на начальной стадии импульсно-периодического режима.

a b

Рис. 3. Динамика развития концентрации молекулярных ионов Ar2+ в разрядной области:

а 100÷1000 нс; b 1-5 мкс

тока соотносится со временем максимальной концентрации молекулярных ионов, достигающих катода. Значительное снижение тока смещения происходит за счет дрейфа электронов с прикатодной области и резкого расширения области развития разряда в1,5D мерной модели. Решение уравнения Пуассона в динамической модели представлено на рисунке4 b в разные моменты временной итерации. Согласно рисунку, напряженность поля непосредственно в прикатодной области имеет положительное значение, а затем при дрейфе электронов пространственный заряд электронов создает отрицательную напряженность поля, уменьшающую приложенное поле. При 1,5 мкс достигает максимума электронный ток, при этом электронный ток определяет дополнительные выпуклости на задней части импульсов тока. Согласно работе [7] первый максимум тока связывают с током смещения, но в действительности за данный пик в токовом импульсе отвечает ионный ток непосредственно в прикатодной области, образующийся вблизи катода, а следующая выпуклость определяется дрейфом положительных молекулярных ионов, образующихся на расстоянии 0,008 см от катода (максимум концентрации молекулярных ионов в межэлектродном пространстве при временах 100 нс достигается на расстоянии 0,008 см) (см. рис. 3 а). Анализ токов показывает, что в разрядном промежутке основной вклад в общий ток вносит ионный. Электронныйток ток не изменяется при достижении длительности импульсов порядка10-4 с и не изменяется с течением времени. Численное значение электронного тока составляет порядка нескольких микроампер(рис. 5

19

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

a). Незначительный вклад тока смещения определяет разного рода изменения на форме импульсов. Длительность импульсов лежит в миллисекундном диапазоне. Характерное время

c

Рис. 5. а ионный ток Ii, ток смещения Ism, электронный ток Ie и полный ток Io в зависимости времени; b зависимость скорости рождения и гибели электронов непосредственно в прикатодной области от времени; с токовые импульсы

данных процессов в молекулярных газах составляет порядка10-6 с, что на два порядка превышает время нестационарных процессов в аргоне. Задержка по времени в длительности импульсов в аргоне при незначительном продуве разрядной области объясняется различием концентрации и дрейфовой скорости молекулярных ионовAr2+, достигающих катода, соответствующих определенным условиям. Действительно, эксперименты показывают, что длительность импульсов зависит от разных факторов. При увеличении расхода газа длительность времени уменьшается, поэтому начало новой волны ионизации можно связать с выносом возбужденных и метастабильных атомов молекулярных ионов с разрядной области, но за характерное время токовых импульсов никакого изменения концентрации возбужденных атомов, отвечающих за образование молекулярных ионов,

не происходит (рис. 2 a, b). Но все же основным фактором изменения длительности импульсов является электрическое поле на разрядном промежутке, при увеличении которого растет дрейфовая скорость молекулярных ионов. И в отличие от молекулярного газа время восстановления условия развития новой волны ионизации в атомарном газеAr лежит в миллисекундном диапазоне, что показано в расчетах, указанных на рисунке5 c. Из рисунков видно, что амплитуда токовых импульсов не изменяется, при этом значение усредненного тока во времени растет за счет изменения длительности колебаний, что приводит к изменению вольтамперной характеристики. Влияние расхода газа на развитие и длительность импульсов тока требует дальнейших исследований.

20

ВЕСТНИК ВСГУТУ / 2014 / №6

Заключение

Численное моделирование развития разряда с учетом основных элементарных процессов, происходящих в неравновесной плазме, в атмосфере аргона показывает динамику развития токовых импульсов, длительность которых соответствуют по порядку величины с экспериментальными данными. Особенностью модели является учет изменения параметров плазмы на ос рассмотрения ФРЭЭ. Нарушением условия самоподдержания и появления импульсов тока является наличие молекулярных ионов Ar2+, дрейфующих к катоду, и превышение скорости диссоциативной рекомбинации над вторичной эмиссией электронов.

Библиография

1.Roth J.R. Industrial Plasma Engineering. Vol. 1. Principles Philadelphia: Inst. Phys. Publishing, 1995.

2.Бронин С.Я., Колобов В.М. Функция распределения быстрых электронов в неоднородном

электрическом поле // Физика плазмы. 1983. Т. 9, вып. 5. С. 1088 1096.

3. Цендин Л.Д. Функция распределения электронов слабоионизованной плазмы в неоднородных электрических полях. I. Малые поля; баланс энергии определяется квазиупругими соударениями// Физика плазмы. 1982. Т .8, вып. 1. С. 169 177.

4.Биберман Л.М., Воробъев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы.

М.: Наука, 1982. 405 с.

5.Иванов В.А. Диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов в плазме инертных газов // УФН.

неравновесной аргоновой плазме атмосферного давления, инициированной в системе «острие плоскость» // Cб. конкурсных докл. VIII Всерос. молодежного Самарского конкурса-конференции науч. работ по потике и

6.Bazarsadaev B.Ts., Saneev E.L., Shagdarov V.B. et al. Kinetic constant of the elementary processes in nonequilibrium argon plasma at atmospheric pressure initiated in the «tip -plane» system// Collection of competition reports of VIII Samara All-Russian Youth competition-conference of scientific works on optics and laser physics. - Samara: Publishing House of Samara University, 2010. - P. 310-316.

7.Bazarsadaev B.T., Saneev E.L., Shagdarov V.B. et al. Negative corona dischage and gas dynamic factors //

ESSUTM Bulletin. 2013. N 1 (40). P. 59-62.

21