Исследование нелинейных процессов в катодных зонах газового разряда
Бакаев Андрей Анатольевич
Ростовский государственный университет

Научный руководитель: Толмачев Геннадий Николаевич, к.ф-м.н

Целью настоящей работы являлось: построение модели катодной зоны газового разряда, получение на основе построенной модели нелинейных эффектов, исследование влияния сечений элементарных процессов на параметры разряда, возможность замены сечений элементарных процессов простейшими математическими функциями.

Для исследования нелинейных процессов происходящих в катодных зонах газового был построен алгоритм самосогласованной PIC-MC модели катодной зоны тлеющего разряда.

Рис 1.

В рассмотрение бралась цилиндрическая газоразрядная ячейка (см рис. 1) с размерами: расстояние между электродами - 2 см, диаметр электродов - 5 см. Напряжение источника e питания и величин "балластного" сопротивления R брались с таким расчетом, чтобы разряд прошел все стадии (зона малых токов, ТТР - темный таунсендовский разряд, нормальный и аномальный режимы). В качестве модельного газа рассматривался один из инертных газов - He (гелий) при следующих условиях: давление 1 тор, концентрация 3.219*1016 см-3; Модельный газ характеризуется сечениями элементарных процессов (процесс упругого соударения электронов с атомами, процесс возбуждения атома, процесс ионизации атома при котором появляется вторичный электрон), а так же дифференциальными сечениями упругого соударения и процесса ионизации. В модели рассматривалось движение двух видов частиц: электронов и ионов.

Алгоритм был реализован на языке высокого уровня С++ в соответствии со стандартом ANSI С++. Расчет проводился на супер-ЭВМ Compaq Alpha DS20E под управлением операционной системы Digital Unix v4.0F.

Проводилось "моделирование" динамики разряда путем дискретного уменьшения величины балластного сопротивления (что соответствует увеличению тока протекающего через цепь) от зоны малых токов до аномального режима, затем величина балластного сопротивления менялась в обратном направлении (что соответствовало уменьшению разрядного тока) и разряд проходил стадии от аномального режима до зоны слабых токов.

 

Рис 2.

На основе результатов расчетов строились следующие характеристики: ВАХ - вольтамперная характеристика разряда, зависимость максимальной плотности электронного тока на катоде от величины тока, зависимость диаметра катодного пятна от величины тока, величина dk - катодного падения от величины тока.

На (рис. 2) представлены две из них: зависимость максимальной плотности электронного тока на катоде от величины тока и зависимость диаметра катодного пятна от величины тока. Кривая изображенная непрерывной линией отображает "эволюцию" разряда при увеличении разрядного тока, кривая изображенная пунктирной линией отображает "эволюцию" разряда при уменьшении разрядного тока. Причем зона "нормального" разряда лежит в диапазоне от 25 до 90 мкА.

В ходе изучения механизмов лежащих в основе нелинейных процессов были проведены вариации сечений элементарных процессов, аппроксимация их простейшими функциями, а так же рассмотрено влияние анизотропного дифференциального сечения упругого рассеяния.

Из результатов полученных в ходе работы можно сделать следующие выводы:

  1. Реализована модель катодной области газового разряда которая адекватно описывает все режимы тлеющего разряды, а так же переходы из одного вида в другой как в "прямом" так и в "обратном" направлениях.

  2. Нелинейные эффекты (эффект гистерезиса) наблюдаются не только на ВАХ (что подтверждается экспериментальными данными), но так же, даже более качественно на зависимости величины максимальной плотности электронного тока на катоде от величины тока и на "размерных" характеристиках: зависимость диаметра катодного пятна от величины тока и зависимость катодного падения от величины тока.

  3. Дифференциальное сечение упругого рассеяния оказывает сильное влияние на характеристики разряда.

  4. Сечения элементарных процессов можно аппроксимировать простейшими математическими функциями при этом характеристики и поведение разряда не изменяются, а так же сохраняются все нелинейные явления наблюдаемые при "нормальных" сечениях.

(c) АСФ России, 2001