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


View article
PDF, 9.3 MB


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


Volume 26, issue 8, 2025 year


Численное исследование структуры плазменных потоков в разрядной камере Пеннинга

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


Volume 26, issue 8, 2025 year



1. Gabovich M. D., Physics and Technology of Plasma Ion Sources, Moscow: Atomizdat, 1972, 304 p. [in Russian].
2. Mamedov N. V., Physical Principles of Ion Beam Generation in Neutron Tube Plasma Sources: A Tu-torial, Moscow: Buki Vedi, 2021, 388 p. [in Russian].
3. Venikov N. I., Ion Sources for Accelerators, Preprint IAE-3217. 1979. 54 p. [in Russian].
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 La-boratory Applications, Plasma Sources Sci. Technol., 2008, vol. 17. 035009. 7 pp.
6. Korotaev Yu. V., Meshkov I. N., Polyakov V. N., Smirnov A. V., Syresin E. M., Ley R., Tranquille J., Penning discharge in electron-optical devices with magnetic accompaniment, Zhur. Tech. Phys., 1997, vol. 11, pp. 124126 [in Russian].
7. Mamedov N. V., Shchitov N. N., Kolodko D. V., Sorokin I. A., Sinelnikov D. N., Discharge charac-teristics of a Penning plasma source, Technical Physics, 2018, vol. 63, pp. 11291136.
https:/doi.org/10.1134/S1063784218080121
8. Rachkov R. S., Maslennikov S. P., Yurkov D. I., Investigation of the Amplitude-Time Characteris-tics of a Penning Discharge in Miniature Ion Sources, Atomic Energy, 2019, vol. 127, iss. 1, pp. 4550. https://www.doi.org/10.1007/s10512-019-00582-6
9. Mamedov N. V., Shchitov N. N., Kanshin I. A. Study of the dependences of the operational charac-teristics of the Penning ion source on its geometric parameters, Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics, 2015, vol. 16, iss. 4 [in Russian]. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-4/articles/590/
10. Mamedov N. V., Maslennikov S. P., Solodovnikov A. A., Yurkov D. I., Influence of the magnetic field on the characteristics of a pulsed Penning ion source, Plasma Physics, 2020, vol. 46, no. 2, pp. 172185. DOI: 10.31857/S0367292120020067
11. Mamedov N. V., Maslennikov S. P., Presnyakov Yu. K., Solodovnikov A. A., Yurkov D. I., Penning Ion Source Discharge Modes for Pulsed and Continuous Power Supplies, Technical Physics, 2019, vol. 89, issue 9, pp. 13671374.
12. Hirsch E. N., On the Mechanism 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. Surzhikov S. T., Kuratov S. E., Modified diffusion-drift model of Penning discharge, Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics, 2014, vol. 15, issue 6 [in Russian]. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-6/articles/257/
15. Surzhikov S. T., Diffusion-Drift Modeling of the Electrodynamic Structure of the Penning Dis-charge 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.
https://doi.org/10.1016/j.jcp.2004.02.019
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. Surzhikov S. T., Two-dimensional model of Penning discharge in a cylindrical chamber with an axi-al magnetic field, Technical Physics, 2017, vol. 62, iss. 8, pp. 1177−1188.
DOI: 10.1134/S1063784217080278
19. Brown S., Elementary processes in plasma of gas discharge. M.: State Publishing House of the Liter-ature in the Field of Atomic Science and Technics, 1961, 323 p.
20. Raiser Yu. P., Gas Discharge Physics, Springer-Verlag, Berlin, New York, London, Paris, 2007, 591 p.
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 Dy-namics, 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. DOI: 10.1088/0963-0252/23/5/054017
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.