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


Просмотр статьи
PDF, 659,6 КБ

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

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.2.752

Алексей Сергеевич Дикалюк, Владислав Олегович Гуменнов

Том 19, выпуск 2, 2018 год



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

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.2.752

Алексей Сергеевич Дикалюк, Владислав Олегович Гуменнов

Том 19, выпуск 2, 2018 год



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

Просмотр
6,4 МБ

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

Просмотр
1,8 МБ

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

Просмотр
3,0 МБ

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

Просмотр
3,5 МБ

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

Просмотр
8,2 МБ

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

Просмотр
10,9 МБ

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

Просмотр
6,8 МБ

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

Просмотр
12,6 МБ

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

Просмотр
10,1 МБ

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

Просмотр
13,0 МБ


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. Суржиков С.Т. Двумерная модель разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. Вып. 8. С. 1165-1176.
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. Суржиков С.Т. Двухмерная структура разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем при давлении порядка 1 торр // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 3. С. 64 – 71.
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. Суржиков С.Т., Куратов С.Е. Диффузионно-дрейфовая модель Пеннинговского разряда при давлениях порядка 1 Торр // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15. Вып. 5. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-5/articles/252/
12. Щитов Н.Н., Каньшин И.А., Мамедов Н.В. Исследование зависимостей эксплуатационных характеристик источника ионов Пеннинга от его геометрических параметров // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т. 16. Вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-4/articles/590/
13. Сторожев Д.А. Численное моделирование кинетики ионизации и диссоциации водорода в плазме разряда Пениннга в приближении ЛТР // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15. Вып. 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. Дикалюк А.С., Куратов С.Е. Реализация метода частиц-в-ячейках на неструктурированных сетках для численного моделирвоания плазменных устройств // Математическое моделирвоание. 2017. Т. 29. № 9. С. 33-48.
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.