On the Possibility of Using the Penning Discharge to Study the Phenomenon of the Critical Ionization Velocity

Using a modified diffusion-drift model of a gas discharge, a numerical simulation of a Penning discharge in a cylindrical gas-discharge chamber with a characteristic size of 1 cm at a molecular nitrogen pressure of 1 mTorr has been carried out. This model takes into account the external magnetic field and introduces two groups of dependences of the ionization coefficients and drift mobilities of electrons and ions at relatively low and high values of the reduced fields E/p. It is shown that a quasi-stationary azimuthal motion of a gas-discharge plasma is formed in the discharge chamber, and the energy of electrons in the rotating plasma exceeds the potential of impact ionization of nitrogen molecules, which is a qualitative sign of the possibility of realizing a physical phenomenon, called the critical ionization rate (anomalous ionization). This numerical simulation was performed at an induction of an axial magnetic field of 0.1 T and a voltage on the electrodes of about 3000 V.

Penning discharge, critical ionization rate, drift-diffusion model of a gas discharge.

Volume 23, issue 5, 2022 year

О возможности использования разряда Пеннинга для изучения явления критической скорости ионизации

С использованием модифицированной диффузионно-дрейфовой модели газового разряда, в которой учтено внешнее магнитное поле и введены две группы зависимостей коэффициентов ионизации и дрейфовых подвижностей электронов и ионов при относительно низких и высоких значениях приведенных полей Е/р выполнено численное моделирование разряда Пеннинга в цилиндрической камере с характерными размерами 1 см при давлении молекулярного азота 1 мТорр. Показано, что при индукции осевого магнитного поля 0.1 Т и напряжении на электродах порядка 3000 В в разрядной камере формируется квазистационарное азимутальное движение газоразрядной плазмы, а энергия электронов во вращающейся плазме превосходит потенциал ударной ионизации молекул азота, что является качественным признаком возможности реализации физического явления называемого критической скоростью ионизации (аномальной ионизацией).

разряд Пеннинга, критическая скорость ионизации, диффузионно-дрейфовая модель газового разряда.

Volume 23, issue 5, 2022 year

Осцилляции скорости электронов на оси симметрии разряда Пеннинга

689.4 KB

1. Surzhikov S., Kuratov S. Modified drift-diffusion model of the Penning discharge//Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2014. V.15, iss. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-6/articles/257/
2. Surzhikov S.T. Theoretical and Computational Physics of Gas Discharge Phenomena. Series: Texts and Monographs in Theoretical Physics. – de Gruyter: Berlin, 2020, 537 p.
3. Surzhikov S.T., Raiser Yu.P. Two-dimensional structure of a normal glow discharge and the role of diffusion in the formation of cathode and anode current spots//Thermophysics of High Temperatures. 1988. V.25. Number 3. pp.428-435 [in Russian]
4. Raizer Yu.P., Surzhikov S.T. Calculation model of thermal and electric discharge processes in the chambers of technological lasers//Mat. modeling 1993. V.5. No. 3. P.32-58. [in Russian]
5. Surzhikov S.T., Shang J.S. Two-component plasma model for two-dimensional glow discharge in magnetic field//Journal of Computational Physics. 2004. 199. pp.437-464.
6. Surzhikov S.T., Shang J.S. Normal Glow Discharge in Axial Magnetic Field// Plasma Sources Sciences and Technology. 2014, Vol.23. 054017 (8pp.) DOI 10.1088/0963-0252/23/5/054017.
7. Surzhikov S.T. Two-dimensional structure of a Penning discharge in a cylindrical chamber with an axial magnetic field at a pressure of the order of 1 Torr // JTF Letters. 2017. V.43. Issue 3. pp.64-71 [in Russian]
8. Surzhikov S.T. Two-dimensional model of the Penning discharge in a cylindrical chamber with an axial magnetic field // Journal of technical physics. 2017. Vol.87. Issue 8. S.1165-1176. [in Russian]
9. Shang J.S., Surzhikov S.T., Kimmel R., Gaitonde D., Menart J., Hayes J. Mechanisms of plasma actuators for hypersonic flow control// Progress in Aerospace Sciences. 2005. Vol.41. P.642-668.
10. Alfvén H. On the Origin of the Solar System. Oxford University Press. Oxford. England. 1954.
11. Danielsson L. Review of the critical velocity of gas-plasma interaction// Astrophys Space Sci. 1973. Vol.24. pp. 459–485. https://doi.org/10.1007/BF02637168
12. Sherman J.C. Review of the critical velocity of gas-plasma interaction. 1973. 24(2). pp. 487–510. doi:10.1007/bf02637169
13. Markov V.G., Prokhorovich D.E., Sadilkin A.G., Shchitov N.N. Determination of energy characteristics of corpuscular emission from ion sources of gas-filled neutron tubes. Advances in Applied Physics. 2013. Vol.1. No. 1. pp.23-29. [in Russian]
14. Mamedov N.V., Maslennikov S.P., Solodovnikov A.A., Yurkov D.I. Influence of a magnetic field on the characteristics of a pulsed Penning ion source // Plasma Physics. 2020. V. 46. No. 2. pp. 172-185. [in Russian]
15. Raizer Yu P Gas Discharge Physics Springer-Verlag. 1991. 449 p
16. Mason E.A., McDaniel E.W. Transport Properties of Ions in Gases. Wiley. 1973. 372 p.