Компьютерное моделирование короны в различных газах, страница 9

Рисунок 20. Ток через цилиндрическую поверхность переменного радиуса. В стационарном режиме ток через любую такую поверхность должен быть одинаковым. Напряжение 5,5 кВ.

Искажение картины поля.

Почти вся область заряжена отрицательно (рисунок 22), смена знака плотности происходит на расстоянии 200 мкм от катода. У катода сосредоточен мощный положительный ионный заряд, его плотность достигает 0.03 Кл/м3.

Рисунок 22. Плотность электрического заряда во внешней зоне. Напряжение 5,5 кВ.

Концентрация ионов в пределах 100 мкм от катода на два порядка выше концентрации электронов, а после 200 мкм ничтожно мала. Система находятся в состоянии, которое называется «слабоионизованный газ». Это состояние, при котором квазинейтральность не устанавливается благодаря высокому внешнему полю. Интересно, что это не означает, что собственное поле объемного заряда мало по сравнению с внешним. Видно, что объемный заряд существенно искажает поле, именно благодаря ему блокируется рост поля в чехле разряда.

Рисунок 23. Плотность объемного заряда при разных напряжениях.

Напряженность поля значительно искажена. Во внешней зоне она в несколько раз меньше невозмущенных значений, за счет этого происходит снижение напряженности у катода (рисунок 21).

Рисунок 21. Напряженность поля и невозмущенное распределение напряженности. Отдельные графики для внешней зоны и прикатодной области. Напряжение 5,5 кВ.

Именно изменение распределения напряженности из-за объемного заряда является механизмом ограничения тока разряда. При усилении тока увеличивается отрицательный объемный заряд и падает напряженность поля. Именно этот процесс является причиной импульсов тока на начальной стадии разряда, описанной в начале документа. В стационарном режиме достигается баланс.

Действие механизма ярко демонстрирует рисунок 24. Рост напряжения достигается за счет роста напряженности во внешней зоне. Так изменение напряжения с 5,2 кВ до 6,1 кВ – это рост на 17%. При этом в области 20-33 мм от катода рост напряженности составляет не менее 40%. В то же время в области до 1,8 мм рост составляет не более 1,8%. Именно здесь происходит ионизация, причем сравнивая ту же пару напряжений, мы видим, что ток возрастает в 2,7 раза – с 0,22 А/см до 0,59 А/см. Такая чувствительность тока возможна благодаря резкой зависимости скорости ионизации от температуры электронов, а значит, и от напряженности поля.

Рисунок 24. Напряженность поля при разных напряжениях, взятая по отношению к напряженности при 5,2 кВ. Рост напряженности происходит в дальней области, у катода поле практически не растет.(граничное условие Дейча-Попкова)

Таким образом основные отличия от короны в аргоне таковы:

∙ Рекомбинационная гибель мала, электрон, появившийся в чехле разряда, с высокой вероятностью пересечет межэлектродный промежуток.

∙ Весьма высока роль объемного заряда, существенно влияющего на поле, как в чехле, так и во внешней зоне. Именно объемный заряд обеспечивает возникновение импульсов тока (импульсов Тритчеля), которых не было в решении для аргона.

∙ У аргона каналы потери энергии электронами – ионизация и возбуждение «высоких» уровней (с энергией перехода 10 эВ и выше, это глубокий ультрафиолет). Азот – молекулярный газ, поэтому у азота имеются другие каналы, которые забирают больше энергии, чем «верхние уровни» - это низкие, «колебательные» уровни возбуждения.

Границы чехла короны определяются не балансом между ионизацией и рекомбинацией, а размером области, где происходит ионизация.

Кислород.

Условия задачи.

В модели учитываются частицы следующих типов:

1. 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.

2. O2 (O2). Молекула кислорода. Задана подвижность.

3. O (O). Атомарный кислород. Задана подвижность.