Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование стримера в струе гелия

Сведения об участнике
ФИО
Тимшина Мария Викторовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика плазмы
Тема
Исследование стримера в струе гелия
Резюме
В работе представлены результаты моделирования распространения стримера в струе гелия, окруженной воздухом. Отличительная особенность такого явления от классического стримера - низкотемпературного плазменного канала в газе – в том, что путь такого стримера предопределен: ось струи инертного газа задает его направление. Активное применение направленных стримеров в медицине делает их перспективной областью для исследований. Основа явления – при определенных условиях более высокий коэффициент ионизации в гелии по сравнению с воздухом обеспечивает развитие стримера именно по струе инертного газа.
Ключевые слова
физика газового разряда, направленный стример, струя гелия, смесь воздуха и гелия, коэффициент ионизации, моделирование
Цели и задачи
Цель: путем сравнения распространения стримера в однородном воздухе и в струе гелия, окруженной воздухом, выявить особенности направленных стримеров, объяснить механизм возникновения подобной структуры.
Задача: количественно и качественно проанализировать влияние величины приложенного напряжения и концентрации гелия в струе на характер распространения стримера в системе.
Введение

Явление распространения стримера в струе гелия непосредственно касается тематики разрядных процессов в газах.

При  определенных условиях частота ударной ионизации в инертных газах, таких как гелий, больше, чем в воздухе, а значит и рост плазменного канала  происходит  в них активнее.

Преобладание роста стримера в инертном газе дает возможность реализовывать так называемые «guided»-стримеры (направленные стримеры): стримеры, которые распространяются вдоль оси струи инертного газа. Такая система незаменима для создания направленного в определенное место проводящего  низкотемпературного плазменного канала. Самые популярные области применения для данного явления - медицина и нанотехнологии.

Методы и материалы

Исследование производилось по средствам  конечно-элементного моделирования в пакете Comsol Multiphicics. Модель является  двумерной и осесимметричной.В ней решается  система уравнений в дрейфово-диффузном приближение, где электрическое поле находится с помощью уравнения Пуассона.  В уравнении Нернста-Планка, описывающем рождение и перенос частиц, учитывются наиболее значимые  плазмохимические процессы - это прямые процессы ионизации атомов воздуха и гелия свободными электронами и фото-ионизация, без которой само прорастание стримера было бы затруднено (обеспечивает некоторое количество электронов впереди головки стримера).Под прямой ионизацией подразумевается следующая реакция:

 .

Задавая в модели «струю», на самом деле задаем область с отличным коэффициентом ионизации. Действительно, основная причина образования направленных стримеров - различие  коэффициентов ионизации для различных газов. Т.о. стример  развивается в том направлении, где рождение новых зарядов, ионизация  электронным ударом, будет происходить наиболее активно.

Для того, чтобы оценивать устойчивость уравнений в частных производных (в нашем случае уравнение Нернста-Планка) обычно пользуются критериями, основанными на понятии числа Пекле. В нашем случае, для метода конечных элементов,  число Пекле задается следующим образом:

,

где h – характерный размер элемента сетки. Критерий же состоит в том, что .  Он и  использовался в работе.

 

 

Описание и обсуждение результатов

В рамках данной работы удалось смоделировать процесс распространения стримера в струе гелия. Можно отметить следующие результаты и выводы:

  • Подобраны зависимости для коэффициентов C и D (из формулы для  коэффициента ионизации  от напряженности поля) от концентрации гелия в смеси воздух-гелий. Используя ее, удалось сделать процесс численного моделирования менее ресурсозатратным.
  • Внешнее поле заставляет стример разветвляться, как в воздухе, так и в гелии; «guided»-эффект наблюдается из-за сильного различия коэффициентов ионизации  в гелии и воздухе  при невысоких электрических полях. При высоких напряженностях коэффициент ионизации в воздухе становится больше, чем в гелии, и «guided»-эффект не наблюдается.
  • Наблюдается смещение максимума концентраций заряженных частиц к периферии струи, что связано с тем же эффектом, что и разветвление стримера: большее влияние электрического поля по сравнению с «guided»-эффектом (уравниваются коэффициенты ионизации по радиусу) при увеличении напряжения  и уменьшении концентрации гелия на оси струи. Удалось пронаблюдать форму "полого цилиндра"(распределение концентрации заряженных частиц в пространстве).
  • При уменьшении концентрации гелия на оси струи со 100% до 90% для рассматриваемой системы еще действует эффект направленности стримера.
  • Радиус канала в струе гелия в рамках поставленной задачи можно считать одинаковым(он ограничивается струей).Найдены зависимости электрического поля на головке стримера от скорости роста стримерного канала при постоянном радиусе канала (для обычного же стримера электрическое поле на головке зависит как от скорости роста стримера, так и от радиуса канала, которые в свою очередь зависимы друг от друга). Они согласуются с классическими представлениями о свойствах положительного стримера и могут быть использованы в упрощенных моделях стримерного процесса. В частности, существует пороговая ненулевая напряженность электрического поля на головке стримера, соответствующая его остановке. Порог увеличивается с уменьшением концентрации гелия на оси струи.
Используемые источники
1)X. Lu, G. V. Naidis, M. Laroussi, and K. Ostrikov, “Guided ionization waves: Theory and experiments,” Phys. Rep., vol. 540, no. 3, pp. 123–166, 2014.
2)D. (University of T. Breden, K. (University of T. Miki, and L. L. (University of T. Raja, “Modeling of an Atmospheric Pressure Plasma Jet in a Helium-Air Diffusion Zone,” 50th AIAA Aerosp. Sci. Meet. Incl. New Horizons Forum Aerosp. Expo., no. January, pp. 1–10, 2012.
3)N. Mericam-Bourdet, M. Laroussi, a Begum, and E. Karakas, “Experimental investigations of plasma bullets,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 42, no. 5, p. 055207, 2009.
4)Райзер Ю.П., Физика газового разряда. 1992.
5)С. А. В. Стишков Ю.К., Электрофизические процессы в газах при воздействии сильных электрических полей. 2011.
6)Н. А. Алейник, “Плазменная медицина.” 2011.
Information about the project
Surname Name
Timshina Mariia
Project title
A study of a streamer in a jet of helium
Summary of the project
The simulation results for streamer propagation in a helium jet in ambient air are presented. The distinctive feature of the phenomenon from a classical streamer—a low-temperature plasma channel in a gas—is that the path of such streamer is predetermined: the axis of the inert gas jet specifies its direction. The active application of guided streamers in medicine makes them a promising field of research. The base of the phenomenon is that a higher value of ionization rate in helium in comparison with the air provides under certain conditions for the development of a streamer along of the inert gas jet.
Keywords
gas discharge physics, guided streamer, helium jet, mixture of helium and air, ionization rate, simulation