Modeling of Unsteady Processes in Penning Gas Discharge Plasma using PIC-MCC Method




Modeling of temporal evolution of Penning gas discharge plasma in molecular hydrogen at pressure 0.8 mtorr, anode voltage 800 V and axial magnetic field 330 G is performed in the paper. Simulation is carried out using 2D/3V axisymmetric electrostatic PIC-MCC method. Distinct feature of this work is the addition of dissociative ionization process to kinetic model of Penning gas discharge in molecular hydrogen. In the paper temporal evolution of electrostatic potential, field, charged particles number densities and temperatures in gas discharge chamber are given.

molecular hydrogen, atomic hydrogen, Penning discharge, low pressure, external magnetic field

Моделирование нестационарных процессов в разряде Пеннинга с использованием метода PIC-MCC

В работе выполнено моделирование временной эволюции плазмы разряда Пеннинга в молекулярном водороде при p = 0.8 мторр, анодном напряжении 800 В и внешнем осевом магнитном поле 330 Гс. Результаты получены с помощью 2D/3V метода частиц-в-ячейках. Элементарные процессы моделируются методом Монте-Карло. Отличительным свойством этой работы является включение процесса диссоциативной ионизации в модель разряда Пеннинга. Представлена временная эволюция электростатического потенциала, поля, плотности заряженных частиц и их температуры.

молекулярный водород, атомарный водород, разряда Пеннинга, низкие давления, внешнее магнитное поле


Эволюция 2D распределения электростатического потенциала [В] в разряде Пеннинга

View
6.4 MB

Эволюция 2D распределения осевой проекции электрического поля [В/см] в разряде Пеннинга

View
1.8 MB


Эволюция 2D распределения радиальной проекции электрического поля [В/см] в разряде Пеннинга

View
3.0 MB


Эволюция 2D распределения модуля электрического поля [В/см] в разряде Пеннинга

View
3.5 MB


Эволюция 2D распределения плотности электронов [см^(-3)] в разряде Пеннинга

View
8.2 MB

Эволюция 2D распределения температуры электронов [эВ] в разряде Пеннинга

View
10.9 MB



Эволюция 2D распределения плотности молекулярных ионов водорода [см^(-3)] в разряде Пеннинга

View
6.8 MB

Эволюция 2D распределения температуры молекулярных ионов водорода [эВ] в разряде Пеннинга

View
12.6 MB


Эволюция 2D распределения плотности атомарных ионов водорода [см^(-3)] в разряде Пеннинга

View
10.1 MB


Эволюция 2D распределения температуры атомарных ионов водорода [эВ] в разряде Пеннинга

View
13.0 MB



1. Sy A.V. Advanced Penning-type source development and passive beam focusing techniques for an associated particle imaging neutron generator with enhanced spatial resolution Berkley: University of California, 2013.
2. Penning F.M.. Ein neues manometer fur niedrige gasdrucke, insbesondere zwischen 10-3 and 10-5 mm // Physica. 1937. Vol. 4. Iss. 2. pp. 71-75.
3. Rovey J.L., Ruzic B.P., Houlahan T.J. Simple Penning Ion Source for Laboratory Research and Development Applications // Review of Scientific Instruments. 2007. Vol. 78. 106101-1 – 106101-3.
4. Surzhikov S.T. Application of the modified drift-diffusion theory to study of the two-dimensional structure of the penning discharge // AIAA paper. 2015. AIAA 2015-1832.
5. Surzhikov S T 2017 Two-dimensional of the Penning discharge in a cylindrical chamber with the axial magnetic field Technical Physics 62 1177.
6. Surzhikov S.T. Numerical simulating the two-dimensional structure of the Penning discharge using the modified drif-diffusion model // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 815. 012004.
7. Surhzikov S T 2017 Two-dimensional structure of Penning discharge in a cylindrical chamber with axial magnetic field at pressure 1 Torr Technical Physics Letter 43 169.
8. Dikalyuk A.S., Kuratov S.E. Numerical Investigation of Penning Discharge Characteristics using 2D/3V Particle-In-Cell Method // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 815. 012001.
9. Dikalyuk A.S. Validation of Numerical Model of Penning Gas Discharge based on 2D/3V PIC-MCC method // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1009. 012023.
10. Gumennov V.O., Dikalyuk A.S. Calculation a Penning plasma discharge characteristics taking into account the magnetic field produced by annular magnets // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1009. 012025.
11. Surzhikov S.T., Kuratov S.E.Drift-diffusion model of the Penning discharge at pressures about 1 Torr // Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2014. Vol. 15. Iss. 5. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-5/articles/252/
12. Mamedov N.V., Schitov N.N., Kanshin I.A. Investigation of the Dependency of Penning Ion Source Operational Characteristics on its Geometric Parameters // Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2015. Vol. 16. Iss. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-4/articles/590/
13. Storozhev D.A. Numerical simulation of the kinetics of ionization and dissociation of hydrogen in Penning discharge plasma in the LTE // Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2014. Vol. 15. Iss. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-3/articles/229/
14. Storozhev D.A., Surzhikov S.T., Kuratov S.E. Numerical simulation of dissociation kinetics in the penning discharge plasma using 2D modified drift-diffusion model // Proc. of 55th AIAA Aerospace Meeting, AIAA SciTech Forum. 2017. AIAA 2017-1966.
15. Storozhev D.A., Kuratov S.E. Numerical simulation of the kinetics of dissociation and ionization of molecular hydrogen in the penning discharge plasma with the use of the reduced kinetic model // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 815. 012002.
16. Dikalyuk A.S. Development of Particle-In-Cell Solver for Numerical Simulation of Penning Discharge // Proc. of 55th AIAA Aerospace Meeting, AIAA SciTech Forum. 2017. AIAA 2017-0842.
17. Dikalyuk A.S., Kuratov S.E. Numerical Modeling of Plasma Devices by the Particle-In-Cell Method on Unstructured Grids // Mathematical Models and Computer Simulations. 2018. Vol. 10. Iss. 2. P. 198-208.
18. Yoon J.-S., Song M.-Y., Han J.-M., Hwang S.H., Chang W.-S., Lee B.J., Itikawa Y. Cross Sections for Electron Collisions with Hydrogen Molecules // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2008. Vol. 37. No. 2. P. 913 – 931.