Наличие объемного заряда вносит возмущение в распределение электрического поля, уменьшая напряженность у катода (рисунок 11). Однако это возмущение сравнительно мало и внешнее электрическое поле существенно во всем межэлектродном промежутке. В этом смысле, несмотря на существенную ионизацию газа, степень его ионизации остается недостаточной для образования «плазменных» образований.
Рисунок 10. Плотность электрического заряда при различных напряжениях.
Рисунок 11. Напряженность электрического поля в начальный момент времени и в стационарном режиме, возмущенная объемным зарядом.
Плотность электрического тока в стационарном режиме спадает обратно пропорционально расстоянию от оси симметрии задачи r, поэтому удобнее говорить о полном токе через условную цилиндрическую поверхность, ось которой совпадает с осью симметрии. Поскольку рассматривается задача о цилиндрических электродах бесконечной высоты, следует говорить о токе на единицу высоты системы I(r). Поскольку все величины в задаче зависят только от радиальной координаты r, ток на единицу длины связан с плотностью тока j(r) простым соотношением:
В стационарном режиме ток через цилиндрическую поверхность I не зависит от радиальной координаты.
Рисунок 12. Ток через цилиндрическую поверхность радиуса r, соосную с осью симметрии задачи на 1 см высоты системы.
На рисунке 12 показана зависимость тока на единицу длины I от радиальной координаты. На малом расстоянии от катода, в чехле разряда, ток переносится преимущественно ионами, а далее, за границами чехла, переходит в электронный ток. При этом сумма электронного и ионного токов постоянна, как и должно быть в стационарном режиме. Полный ток быстро растет с ростом напряжения, а область короны, где происходит размножение электронов, расширяется.
Поскольку в задаче ведется расчет функции распределения электронов по энергиям (ФРЭ), мы имеем возможность вывести спектр электронов в любой точке пространства. На рисунке 13 приведена ФРЭ на различном расстоянии от катода. Несмотря на то, что температура электронов не превышает 6 эВ, в чехле разряда есть существенное количество электронов с энергией выше потенциала ионизации 15,8 эВ. Вне чехла во внешней области короны такие электроны отсутствуют. Здесь энергетический баланс поддерживается неупругими столкновениями с возбуждением, поэтому распределение обрезается на энергиях 11-14 эВ, соответствующим порогам этих реакций. Видно, как по мере удаления от катода уменьшается «хвост» распределения, позволяющий идти процессам ионизации.
Этот эффект демонстрирует, что в разрядных процессах ключевую роль играет конкуренция возбуждения и ионизации, именно возбуждение останавливает процесс ионизации и определяет внешнюю границу области размножения, не позволяет электрону накопить энергию для ионизации во внешней области разряда. Однако следует отметить, что этот вывод касается только аргона, в других газах ситуация может быть иной.
Рисунок 13. Спектр электронов на различном расстоянии от катода.
Рассмотрим корону в азоте, который является составной частью воздуха
В модели учитываются частицы следующих типов:
Электроны (обозначение в CFD-ACE - E). Задан заряд и масса. Такие свойства, как подвижность и диффузия не задаются – движение электронов рассчитывается через уравнение Фоккера-Планка.
N2 (N2). Молекулярный азот.
N (N). Атомарный азот. Образуется в результате диссоциации азота.
N2+ (N2+). Положительный ион молекулярного азота. Задана подвижность.
В объеме заданы следующие реакции.
1. N2 + e -> N2 + e. Упругое столкновение. Задано сечение реакции (рисунок 14). Опытная кривая взята из [1].
2. N2 + e -> N2+ + 2e. Ионизация. Задано сечение реакции (рисунок 14), порог – 15,6 эВ. Источник данных – база данных CFD-ACE.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.