Анализ кинетических процессов в тлеющем разряде в молекулярном водороде


Просмотр статьи
PDF, 786,8 КБ

Analysis of kinetic processes in the glow discharge in molecular hydrogen

A review of papers on simulation of physical-chemical properties and chemical composition of plasma, generated in the hydrogen and its isotopes in the ion sources is presented. The results of numerical simulation of the ionization and dissociation kinetics of molecular hydrogen in glow discharge and penning discharge plasma are given.

physical and chemical kinetics, molecular hydrogen, Penning discharge, non-equilibrium processes

Дмитрий Алексеевич Сторожев, Сергей Тимофеевич Суржиков, Сергей Евгеньевич Куратов

Том 15, выпуск 6, 2014 год



В данной работе приводится обзор работ по моделированию физико-химических свойств и химического состава плазмы, образующейся в источниках ионов водорода и его изотопов. Приводятся результаты численного моделирования кинетики ионизации и диссоциации молекулярного водорода в плазме тлеющего и пеннинговского разряда.

кинетика ионизации и диссоциации, молекулярный водород, пеннинговский разряд, неравновесные физико-химические процессы

Дмитрий Алексеевич Сторожев, Сергей Тимофеевич Суржиков, Сергей Евгеньевич Куратов

Том 15, выпуск 6, 2014 год



1. A. Laricchiuta, R. Celiberto, F. Esposito, and M. Capitelli, “State-to-state cross sections for H2 and its isotopic variants,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 15, no. 2, pp. S62–S66, May 2006.
2. A. Laricchiuta, R. Celiberto, and R. Janev, “Electron-impact-induced allowed transitions between triplet states of H_{2},” Phys. Rev. A, vol. 69, no. 2, p. 022706, Feb. 2004.
3. R. Celiberto, R. K. Janev, a. Laricchiuta, M. Capitelli, J. M. Wadehra, and D. E. Atems, “Cross Section Data for Electron-Impact Inelastic Processes of Vibrationally Excited Molecules of Hydrogen and Its Isotopes,” At. Data Nucl. Data Tables, vol. 77, no. 2, Pp. 161–213, Mar. 2001.
4. K. Sawada and T. Fujimoto, “Effective ionization and dissociation rate coefficients of molecular hydrogen in plasma,” J. Appl. Phys., vol. 78, no. 5, Pp. 2913–2924, 1995.
5. R. A. Stubbers, “Two-dimensional modelling of a radially-convergent cylindrical inertial electrostatic confinemement (iec) fusion device,” 1994.
6. J. Bretagne, G. Delouya, C. Gorse, M. Capitelli, and M. Bacal, “Electron energy distribution functions in electron-beam-sustained discharges: application to magnetic multicusp hydrogen discharges,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 18, no. 5, Pp. 811–825, 1985.
7. U. Kortshagen and B. Heil, “Kinetic two-dimensional modeling of inductively coupled plasmas based on a hybrid kinetic approach,” Plasma Sci. IEEE Trans. …, vol. 27, no. 5, Pp. 1297–1309, 1999.
8. U. Kortshagen, A. Maresca, K. Orlov, and B. Heil, “Recent progress in the understanding of electron kinetics in low-pressure inductive plasmas,” Appl. Surf. Sci., vol. 192, no. 1, Pp. 244–257, 2002.
9. Matveyev A. A. and S. V. P, “Kinetic processes in a highly-ionized non-equilibrium hydrogen plasma,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 4, no. 4, Pp. 606–617, 1995.
10. R. Celiberto, A. Laricchiuta, M. Capitelli, R. K. Janev, J. M. Wadehra, and D. E. Atems, “Cross section data for electron-impact inelastic processes of vibrationally excited hydrogen molecules and their isotopes,” 1999.
11. R. Celiberto and R. K. Janev, “Analytical representation of electron impact excitation cross sections of vibrationally excited H2 and D2 molecules,” 1995.
12. C. Gorse, M. Capitelli, J. Bretagne, and M. Bacal, “Vibrational excitation and negative-ion production in magnetic multicusp hydrogen discharges,” Chem. Phys., vol. 93, no. 1, Pp. 1–12, 1985.
13. C. Gorse, M. Capitelli, M. Bacal, J. Bretagne, and A. Laganà, “Progress in the non-equilibrium vibrational kinetics of hydrogen in magnetic multicusp H− ion sources,” Chem. Phys., vol. 117, no. 2, pp. 177–195, Oct. 1987.
14. R. Celiberto, M. Cacciatore, M. Capitelli, and C. Gorse, “Electron impact direct dissociation processes of vibrationally excited H 2 molecules to excited atomic hydrogen H*(n = 1–5). I. Crosssections,” Chem. Phys., vol. 133, no. 3, Pp. 355–367, 1989.
15. M. Capitelli, I. Armenise, D. Bruno, M. Cacciatore, R. Celiberto, G. Colonna, O. De Pascale, P. Diomede, F. Esposito, C. Gorse, K. Hassouni, a Laricchiuta, S. Longo, D. Pagano, D. Pietanza, and M. Rutigliano, “Non-equilibrium plasma kinetics: a state-to-state approach,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 16, no. 1, Pp. S30–S44, Feb. 2007.
16. M. Capitelli, I. Armenise, E. Bisceglie, D. Bruno, R. Celiberto, G. Colonna, G. D’Ammando, O. De Pascale, F. Esposito, C. Gorse, V. Laporta, and a. Laricchiuta, “Thermodynamics, Transport and Kinetics of Equilibrium and Non-Equilibrium Plasmas: A State-to-State Approach,” Plasma Chem. Plasma Process., vol. 32, no. 3, Pp. 427–450, Dec. 2011.
17. M. Capitelli, M. Cacciatore, R. Celiberto, O. De Pascale, P. Diomede, F. Esposito, a Gicquel, C. Gorse, K. Hassouni, a Laricchiuta, S. Longo, D. Pagano, and M. Rutigliano, “Vibrational kinetics, electron dynamics and elementary processes in H 2 and D 2 plasmas for negative ion production: modelling aspects,” Nucl. Fusion, vol. 46, no. 6, Pp. S260–S274, Jun. 2006.
18. J. Loureiro and C. M. Ferreira, “Electron and vibrational kinetics in the hydrogen positive column,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 22, no. 11, Pp. 1680–1691, 1989.
19. A. Girard, C. Lécot, and K. Serebrennikov, “Numerical simulation of the plasma of an electron cyclotron resonance ion source,” J. Comput. Phys., vol. 191, no. 1, Pp. 228–248, Oct. 2003.
20. N. Takado, J. Hanatani, T. Mizuno, a. Hatayama, H. Tobari, M. Hanada, T. Inoue, M. Taniguchi, M. Dairaku, M. Kashiwagi, K. Watanabe, and K. Sakamoto, “Numerical Analysis of the Hydrogen Atom Density in a Negative Ion Source,” AIP Conf. Proc., vol. 925, no. 2007, Pp. 38–45, 2007.
21. N. Takado, H. Tobari, T. Inoue, J. Hanatani, a. Hatayama, M. Hanada, M. Kashiwagi, and K. Sakamoto, “Numerical analysis of the production profile of H[sup 0] atoms and subsequent H− ions in large negative ion sources,” J. Appl. Phys., vol. 103, no. 5, p. 053302, 2008.
22. R. Terasaki, I. Fujino, a Hatayama, T. Mizuno, and T. Inoue, “3D modeling of the electron energy distribution function in negative hydrogen ion sources.,” Rev. Sci. Instrum., vol. 81, no. 2, p. 02A703, Feb. 2010.
23. G.J.M. Hagelaar, G. Fubiani, and J.-P. Boeuf, “Model of an inductively coupled negative ion source: I. General model description,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 20, no. 1, p. 015001, Feb. 2011.
24. J.P. Boeuf, G.J.M. Hagelaar, P.Sarrailh, G.Fubiani, and N. Kohen, “Model of an inductively coupled negative ion source: II. Application to an ITER type source,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 20, no. 1, p. 015002, Feb. 2011.
25. I. Méndez, G.-V. F. J., V. J. Herrero, and I. Tanarro, “Atom and Ion Chemistry in Low Pressure Hydrogen DC Plasmas,” J. Phys. Chem. A, vol. 110, no. 18, Pp. 6060–6066, 2006.
26. F. Taccogna, R. Schneider, S. Longo, and M. Capitelli, “Modeling of a negative ion source. I. Gas kinetics and dynamics in the expansion region,” Phys. Plasmas, vol. 14, no. 7, p. 073503, 2007.
27. F. Taccogna, R. Schneider, S. Longo, and M. Capitelli, “Modeling of a negative ion source. II. Plasma-gas coupling in the extraction region,” Phys. Plasmas, vol. 15, no. 10, p. 103502, 2008.
28. O. Fukumasa, S. Mori, N. Nakada, Y. Tauchi, M. Hamabe, K. Tsumori, and Y. Takeiri, “Isotope Effect of H–/D– Volume Production in Low-Pressure H2/D2 Plasmas– Measurement of VUV Emissions and Negative Ion Densities,” Contrib. to Plasma Phys., vol. 44, no. 5–6, Pp. 516–522, Sep. 2004.
29. M. Bacal, A. Hatayama, and J. Peters, “Volume production negative hydrogen ion sources,” IEEE Trans. PlasmaSci., vol. 33, no. 6, pp. 1845–1871, Dec. 2005.
30. K. G. Tschersich, “Intensity of a source of atomic hydrogen based on a hot capillary,” J. Appl. Phys., vol. 87, no. 5, P. 2565, 2000.
31. M. Bacal, “Physics aspects of negative ion sources,” Nucl. Fusion, vol. 46, no. 6, pp. S250–S259, Jun. 2006.
32. F. Taccogna, P. Minelli, S. Longo, M. Capitelli, and R. Schneider, “Modeling of a negative ion source. III. Two-dimensional structure of the extraction region,” Phys. Plasmas, vol. 17, no. 6, P. 063502, Jun. 2010.
33. Гончаров А.А., Добровольский А.Н., Евсюков А.Н., Проценко И.М., Литовко И.В. “Плазмодинамические особенности цилиндрических газовых разрядов магнетронного типа” // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускорения». 2008, № 4, C. 189-194.
34. Электронная база данных сечений рассеяния: “http://www.lxcat.laplace.univ-tlse.fr/.”
35. Goncharov O.A., Dobrovol’skyi А.М., Evsyukov А.М., Protsenko I.М., Litovko I.V. «New vision of the physics of gas magnetron-type discharges» // Ukr. J. Phys. 2009, V.54, № 1-2, Pp.63-67.
36. Сторожев Д.А. “Численное моделирование кинетики ионизации и диссоциации водорода в плазме разряда Пеннинга в приближении ЛТР” // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2014, Том 15, Вып. 3, http://chemphys.edu.ru/pdf/2014-10-02-008.pdf
37. Сторожев Д.А. «Кинетические процессы в плазме тлеющего разряда» // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. T.14. Вып.3. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2013-10-12-007.pdf
38. Surzhikov S.T. Computational Physics of Electric Discharges in Gas Flows. Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston. 2013. 428 p.
39. Storozhev D.A., Surzhikov S.T., “Numerical Simulation of Two-Dimensional Structure of Glow Discharge in view of vibrational kinetics”, AIAA paper, Plasma Discharge Modeling, January 16, 2014, 10.2514/6. 2014-1193.
40. Seleznev R.K. and Surzhikov S.T. A Generalized Newton Method for Differential Equation of Chemical Kinetics// AIAA 2013-3009. 44th AIAA Thermophysics Conference, June 24-27, 2013, San Diego, CA. 17 p.
41. Горбунов А.А., Селезнев Р.К. Моделирование горения водорода в канале модельного ГПВРД. //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013, Том 14, Вып. 4. http://chemphys.edu.ru/pdf/2013-12-20-001.pdf
42. Селезнев Р.К. Исследование обобщенного метода Ньютона для решения системы дифферен¬циальных уравнений химической кинетики на примере горения углеводорода в кислороде //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013, Том 14, Вып. 4. http://chemphys.edu.ru/pdf/2013-12-20-010.pdf
43. Полежаев Ю.В., Селезнев Р.К. Численное исследование процессов возникновения резонанса в экспериментальной установке импульсно-детонационного двигателя// ТВТ// 2014, Том 52, Выпуск. 2, C. 226–230.
44. Жорник К.А., Селезнев Р.К. Расчет интегральных характеристик силовых установок ПВРД //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014, Том 15, Вып. 2. http://chemphys.edu.ru/pdf/2014-11-28-006.pdf
45. Селезнев Р.К. На пути к гиперзвуку. Краткий исторический обзор. //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014, Том 15, Вып. 3. http://chemphys.edu.ru/pdf/2014-10-02-007.pdf
46. Surzhikov S. et al. Unsteady Thermo-Gasdynamic Processes in Scramjet Combustion Chamber with Periodical Input of Cold Air // 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Jt. Propuls. Conf. Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2014. Pp. 1–25.