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.
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.
1. Суржиков С. Т., Куратов С. Е. Модифицированная диффузионно-дрейфовая модель разряда Пеннинга//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 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. Суржиков С.Т., Райзер Ю.П. Двумерная структура нормального тлеющего разряда и роль диффузии в формировании катодного и анодного токовых пятен//Теплофизика высоких температур. 1988. Т.25. №3. С.428-435 4. Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Расчетная модель тепловых и электроразрядных процессов в камерах технологических лазеров//Матем. моделир. 1993. Т.5. № 3. С.32-58. 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. 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. DOI: 10.21883/PJTF.2017.03.44229.16497 8. Суржиков С.Т. Двумерная модель разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем// Журнал технической физики. 2017. Том.87. Вып.8. С.1165-1176. DOI: 10.21883/JTF.2017.08.44722.2031 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. Марков В.Г., Прохорович Д.Е., Садилкин А.Г., Щитов Н.Н. Определение энергетических характеристик корпускулярной эмиссии из ионных источников газонаполненных нейтронных трубок. Успехи прикладной физики. 2013. Т.1. №1. С.23-29. 14. Мамедов Н.В., Масленников С.П., Солодовников А.А., Юрков Д.И. Влияние магнитного поля на характеристики импульсного пеннинговского ионного источника// Физика плазмы. 2020. T. 46. № 2. стр. 172-185. 15. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987. 592 с. 16. Мак-Даниель И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах. М.: Мир. 1976. 420 с.
