Компьютерное моделирование короны в различных газах, страница 8

Диссоциация идет интенсивнее, чем ионизация, и в более широкой области. Ионизация сосредоточена в области до 100 мкм от катода (рисунок 27).

Рисунок 27. Интенсивности ионизации и диссоциации.

Интенсивно идут реакции возбуждения, в результате которых кинетическая энергия электронов переходит в конечном счете в энергию квантов света. Поскольку интенсивность рекомбинации пренебрежимо мала, переход возбужденных электронами молекул в основное состояние – единственный источник излучения в нашем решении.

На расстоянии до 200 мкм основная доля излучения приходится на ультрафиолетовую область, дальше – на инфракрасную и видимый свет. Мощность излучения света в оптическом диапазоне составляет до 17 Вт/см3, максимум приходится на расстояние 114 мкм от катода, мощность падает в два раза по сравнению с уровнем на расстоянии 290 мкм.

Рисунок 26. Мощность излучения света в разных частотных диапазонах. Напряжение 5,5 кВ.

Рассмотрим каналы потери энергии электроном (рисунок 28). В прикатодной области наиболее существенны с точки зрения затрат энергии потери на ультрафиолетовое излучение – они доходят до 65%. Ионизация существенна лишь до 100 мкм от катода, ее доля не превышает 25%, диссоциация значительна в более широкой области и ее доля доходит до 30% у катода. Уже на расстоянии 200 мкм более 50% всех затрат энергии приходится на излучение в видимом и инфракрасном диапазонах.

Рисунок 28. Доля разных реакций в затратах энергии электроном.

Интенсивность ионизации растет с ростом напряжения, однако «полуширина», то есть радиус, на котором интенсивность составляет 50% от максимума, почти не меняется – составляет около 70 мкм. И в случае излучения в видимом диапазоне полуширина не меняется, составляет для всех напряжений около 300 мкм.

Рисунок 29. Интенсивность ионизации при разных напряжениях. Ширина зоны ионизации не меняется с ростом напряжения.

Рисунок 30. Интенсивность излучения в видимом диапазоне при разных напряжениях. Ширина зоны свечения не меняется с ростом напряжения.

При расчете в приближении Фоккера-Планка соотношение между интенсивностями реакций определяются спектром электронов, или функцией распределения по энергии (ФРЭ). Спектр имеет разную форму в зависимости от расстояния от катода (рисунок 31).

Вне чехла энергии электронов сконцентрированы в области 0-3,5 эВ, в районе 3-3,5 эВ функция распределения терпит излом. В чехле, где энергии электронов высоки, излом сглаживается, хотя остается заметным. Здесь присутствует много энергичных электронов с энергией, превышающей 10 эВ. В форме кривых проявляется барьер, который реакции возбуждения представляют для электрона на пути к ионизации.

Во внешней области электроны не успевают набрать энергию выше, чем 3-3,5 эВ, т.к. они отдают свою энергию на возбуждение атомов.

Специфическую форму кривым ФРЭ придает необычная зависимость сечения реакций возбуждения от энергии – кривые быстро возрастают у порога реакции, но затем быстро спадают. На рисунке 32 сравниваются ФРЭ электронов и суммарное сечение возбуждения нижних уровней молекул азота. Как видно, изломы функций распределения электронов лежат как раз в области, где сечение реакций возбуждения существенно. Если при разгоне электрон проходит диапазон 2-3,5 эВ, он разгоняется дальше почти беспрепятственно вплоть до следующих порогов реакций возбуждения, и функция распределения электронов спадает полого, без изломов.

Рисунок 31. Функции распределения электронов по энергии на различном расстоянии от катода. Момент времени t=367 нс.

Рисунок 32. Функции распределения электронов по энергии и суммарное сечение возбуждения нижних уровней молекулы азота (пороги от 0,2 эВ до 2,4 эВ).

На расстоянии 200 мкм электронный ток сменяет ионный. Сумма токов практически постоянна, это еще одно подтверждение стационарности решения (рисунок 20).