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Theoretical studies of the constriction of rare-gas glow discharge plasmas

  • In the present work, a time- and radial-dependent fluid model has been developed to describe the glow-to-arc transition of the positive column in the course of constriction. The self-consistent model comprises the particle balance equations for the relevant species, the balance equation of the mean electron energy and the heavy particle temperature in the plasma, the Poisson equation for the space-charge potential, and a current balance determining the axial electric field. The model adopts the nonlocal moment method, i.e., the system of the balance equations resulting from the moments of the radially dependent Boltzmann equation is solved. The electron transport and rate coefficients are adapted as functions of the mean energy of the electrons, the gas temperature and the ionization degree. The model is applied to a description of the constriction of the dc positive column in argon, for a wide range of pressures and applied currents. Pronounced nonlocal features of the mean electron energy balance are found and their influence on the constricted argon positive column is analyzed. Different assumptions concerning the electron velocity distribution function (EVDF) have been considered in the present model. The assumption of a Maxwellian distribution for the electrons was found to be inappropriate, while the assumption of a Druyvesteyn distribution for the electrons was found to be suitable for describing qualitatively the glow-to-arc transition. However, the standard model using the EVDF obtained from the solution of the steady-state, spatially homogeneous electron Boltzmann equation including electron-electron collisions allows to describe the constriction effect and provides best agreement with experimental data and other available modelling results. The fluid model has also been used to study a medium-pressure pulsed positive column in xenon at conditions of the contracted discharge. The simulation results provide a detailed insight in the physical mechanisms of xenon discharges in pulsed mode. The stepwise ionization of the excited atoms, the conversion of the atomic ions into molecular ions as well as the dissociative recombination of the molecular ions are found to be the most important processes for the pulsed positive column in xenon plasmas at conditions of the contracted discharge. The comparison of the model predictions with experimental results generally shows good agreement. In particular, the model predictions are suitable for qualitative reproduction of the significant increase of low-lying atomic levels densities as well as of the higher and of the relaxed lowest vibrational states of the Xe2* excimers in the afterglow phase of the pulse.
  • In der vorliegenden Arbeit wurde ein Fluidmodell entwickelt, das den raumzeitlichen Übergang einer diffusen Entladung zur kontrahierten Entladung beschreibt. Das Modell wurde als selbstkonsistent aufgebaut, so dass Teilchenbilanzgleichugen für alle relevanten Spezies, die Bilanz für die mittlere Elektronenenergie und die Schwerteilchentemperatur, die Poisson-Gleichung zur Bestimmung des elektrischen Potentials sowie die Bilanzgleichung des elektrischen Strom im Plasma gelöst wurden. Dem Modell wurde die nichtlokale Momentenmethode zugrunde gelegt, in dem die Bilanzgleichungen für makroskopische Größen aus den Momenten der radialabhängigen Boltzmann-Gleichung hergeleitet wurden. Die Transportparameter der Elektronen und die Ratenkoeffizienten der Prozesse zwischen Elektronen und Schwerteilchen wurden als Funktion der mittleren Elektronenenergie, der Gastemperatur und des Ionizationsgrades bestimmt. Mit Hilfe des Modells wurde erstmalig die Kontraktion der positiven Säule einer DC-Entladung in Argon untersucht, wobei eine weiträumige Variation des Druckes und des elektrischen Stromes vorgenommen wurde. Die Ergebnisse demonstrierten ein ausgeprägtes nichtlokales Verhalten der Energiebilanz der Elektronen, dessen Einfluss auf die kontrahierte Argon-Entladung ferner analysiert wurde. Dazu wurden unterschiedliche Annahmen über die Form der Elektronengeschwindigkeitsverteilungsfunktion (EGVF) in Betracht gezogen. Eine Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung erwies sich als ungeeignet. Im Gegenteil, führte eine Druyvesteynsche Verteilungsfunktion zu einem Übergang von Glimmentladung zur kontrahierten Entladung. Dennoch wurde eine signifikante Diskrepanz mit aus Experimenten gewonnenen Daten beobachtet. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Experiment und Modellierung konnte jedoch erzielt werden, indem die EGVF als Lösung der stationären, räumlich homogenen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektron-Elektron-Stöße bestimmt wurde. Das entwickelte Fluidmodell wurde als nächstes zur Untersuchung der Eigenschaften der positiven Säule einer kontrahierten Mitteldruckentladung in Xenon eingesetzt. Die Simulationsergebnisse ermöglichten einen detaillierten Einblick in die physikalischen Mechanismen gepulster Entladungen in Xenon. Die Stufenionisation der angeregten Atome, die Umwandlung atomarer Ionen in molekulare Ionen sowie die dissoziative Rekombination molekularer Ionen wurden als dominante Prozesse in der positiven Säule der kontrahierten Xenon-Entladung erkannt. Das Modell konnte Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit dem Experiment liefern. Insbesondere wurden der deutliche Anstieg der Dichte angeregter Atome in den unteren Niveaus sowie der Anstieg der Xe2* -Dichten während der Abklingphase wiedergegeben.

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Metadaten
Author: Mykhaylo Gnybida
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000847-7
Title Additional (German):Theoretische Untersuchungen der Kontraktion von Edelgas-Glimmentladungsplasmen
Advisor:PD Dr. Detlef Loffhagen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/09/20
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2010/07/02
Release Date:2010/09/20
Tag:Fluid-Modellierung, Niedertemperatur-Plasma, positive Säule
fluid modelling, glow-to-arc transition, low-temperature plasma, positive column
GND Keyword:Edelgas, Gasentladung, Kontraktion
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 51.00.00 Physics of gases / 51.50.+v Electrical properties (ionization, breakdown, electron and ion mobility, etc.) (see also 52.80.-s Electric discharges in physics of plasmas)
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.20.-j Elementary processes in plasmas / 52.20.Fs Electron collisions
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.20.-j Elementary processes in plasmas / 52.20.Hv Atomic, molecular, ion, and heavy-particle collisions
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.50.-b Plasma production and heating (see also 52.80.-s Electric discharges) / 52.50.Nr Plasma heating by DC fields; ohmic heating, arcs