Численное исследование структуры плазменных потоков в разрядной камере Пеннинга


Просмотр статьи
PDF, 9,3 МБ

Numerical Study of the Structure of Plasma Flows in a Penning Discharge Chamber

A numerical study of the variations in the electrodynamic structure of a Penning discharge in molecular hydrogen with pressures ranging from p = 0.5 to 5.0 mTor and magnetic field induc-tions ranging from 0.001 to 0.3 T was performed using a drift-diffusion model, which exploits the nonlinear dependence of ion and electron drift velocities on electric field strength and the Thomson coefficient of impact ionization of neutral particles by electrons at high reduced electric fields.
The numerical simulation yielded gas-discharge plasma configurations corresponding to dif-ferent Penning discharge combustion modes. The transition between weak and strong field modes was observed over the studied range of pressures and magnetic field inductions. In the transition region, Penning discharge combustion modes were detected, with the formation of non-stationary vortex structures of gas-discharge plasma in the axial regions and, as a conse-quence, the generation of pulsed-periodic emission of ion beams from the discharge chamber meniscus.

Penning discharge, ion and electron flow dynamics in an electric discharge chamber, gas-discharge plasma oscillation, diffusion-drift model, numerical simulation of glow discharge


Том 26, выпуск 8, 2025 год



Численное исследование закономерностей изменения электродинамической структуры разряда Пеннинга в молекулярном водороде при изменении давления от до 5.0 мТор и индукции магнитного поля в диапазоне Тл выполнено с использо-ванием диффузионно-дрейфовой модели, в которой использована нелинейная зависи-мость дрейфовых скоростей ионов и электронов от напряженности электрического поля и томсоновский коэффициент ударной ионизации нейтральных частиц электронами при больших приведенных электрических полях.
В результате численного моделирования найдены конфигурации газоразрядной плазмы, отвечающей разным режимам горения пеннинговского разряда. В исследованном диапа-зоне давлений и индукций магнитного поля прослежен переход между модами слабых и сильных полей. В переходной области обнаружены режимы горения пеннинговского разряда с образованием нестационарных вихревых структур газоразрядной плазмы в приосевых областях и, как следствие, генерация импульсно-периодического испускания пучков ионов из мениска разрядной камеры.

разряд Пеннинга, динамика потоков ионов и электронов в электроразрядной камере, осцилляция газоразрядной плазмы, диффузионно-дрейфовая модель, численное моделирование тлеющего разряда


Том 26, выпуск 8, 2025 год



1. Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат. 1972. 304 с.
2. Мамедов Н. В. Физические основы генерации ионных пучков в плазменных источниках нейтронных трубок: Учебное пособие. М.: Буки Веди, 2021. 388 с.
3. Веников Н. И. Источники ионов для ускорителей // Препринт ИАЭ-3217. 1979. 54 с.
4. Loeb H. W. Plasma-based ion beam sources // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. Vol. 47. Pp. B565–B576.
5. Rovey J. L. Design parameter investigation of a cold-cathode Penning ion source for general labora-tory applications // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. Vol. 17. 035009. 7 pp.
6. Коротаев Ю. В., Мешков И. Н., Поляков В. Н., Смирнов А. В., Сыресин Е. М., Лей Р., Тран-квилль Ж. Разряд Пеннинга в электронно-оптических приборах с магнитным сопровождением // Журнал технической физики. 1997. Вып. 11. С. 124126.
7. Мамедов Н. В., Щитов Н. Н., Колодко Д. В., Сорокин И. А., Синельников Д. Н. Разрядные ха-рактеристики плазменного источника Пеннинга // ЖТФ. 2018. T. 88. № 8. С. 11641171.
8. Рачков Р. С., Масленников С. П., Юрков Д. И. Исследование амплитудно-временных характе-ристик разряда Пеннинга в миниатюрных ионных источниках // Атомная энергия. 2019. Т. 127. Вып. 1. С. 3943.
9. Мамедов Н. В., Щитов Н. Н., Каньшин И. А. 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/
10. Мамедов Н. В., Масленников С. П., Солодовников А. А., Юрков Д. И. Влияние магнитного по-ля на характеристики импульсного пеннинговского ионного источника // Физика плазмы. 2020. T. 46. № 2. С. 172185.
11. Мамедов Н. В., Масленников С. П., Пресняков Ю. К., Солодовников А. А., Юрков Д. И. Моды разряда пеннинговского ионного источника при импульсном и стационарном режиме питания // ЖТФ. 2019. Т. 89, вып. 9. С. 13671374.
12. Hirsch E. N. On the Mechanizm of The Penning Discharge // Brit. J. Appl. Phys. 1964. Vol. 15. Pp.15351544.
13. Tyushev M., Papahn Zadeh M., Sharma V., Sengupta M., Raitses Y., Boeuf J.-P., Smolyakov A. Azimuthal structures and turbulent transport in Penning discharge // arXiv preprint arXiv:2210.16887. 2022.
14. 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/
15. Surzhikov S. T. Diffusion-Drift Modeling of the Electrodynamic Structure of the Penning Discharge in Molecular Hydrogen // Fluid Dynamics. 2023. Vol. 50. No. 8. 21 p.
16. Surzhikov S. T., Shang J. S. Two-component plasma model for two-dimensional glow discharge in magnetic field // Journal of Computational Physics. 2004. Vol. 199, iss. 2. Pp. 437−464.
17. Surzhikov S. T. Two-Dimensional Electrodynamic Structure of the Normal Glow Discharge in an Axial Magnetic Field // Plasma Physics Report. 2017. Vol. 43. No. 3. Pp. 363–372.
18. Суржиков С. Т. Двумерная модель разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым маг-нитным полем // Журнал технической физики. 2017. Том. 87, вып. 8. С. 1165−1176.
19. Brown S. Elementary Processes in a Gas Discharge Plasma. M.: State Publishing House of the Liter-ature in the Field of Atomic Science and Technics. 1961. 323 p.
20. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987. 591 с.
21. McDaniel E. W., Mason E. A. The mobility and diffusion of ions in gases. New York, Wiley. 1973. 372 p.
22. Surzhikov S. T. Dynamics of Ion and Electron Flows in the Penning Discharge Chamber // Fluid Dynamics. 2024. Vol. 59. No. 3. Pp. 573593.
23. Surzhikov S. T., Shang J. S. Normal glow discharge in axial magnetic field // Plasma Sources Sci. Technol. 2014. Vol. 23. No. 5. P.054017.
24. Surzhikov S. T. Theoretical and Computational Physics of Gas Discharge Phenomena. Series: Texts and Monographs in Theoretical Physics. De Gruyter: Berlin. 2020. 537 p.