ELECTRODYNAMIC MECHANISM OF EXPANSION OF TWO-COMPONENT PLASMA IN A SPHERICALLY SYMMETRIC VACUUM GAP

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The results of theoretical modeling of spherically symmetric expansion of collisionless carbon plasma froma compact explosive emission center of a vacuum discharge are presented. The modeling is based on the joint solution of the Vlasov kinetic equations for electrons and ions and the Poisson equation for the electric field, written in the spherical coordinate system and averaged over angular variables. It is shown that the calculated cathode plasma expansion velocities are significantly lower in the spherically symmetric geometry than the expansion velocities of plasma with the same parameters obtained by solving the plane problem. The observed expansion velocities of the cathode plume plasma at the level of 3.5 · 106 cm/s can be explained within the framework of the collisionless mechanism when the criterion imposed on the ratio of the electric emission current to the limiting electric current in the vacuum gap is fulfilled.

About the authors

A. O Kokovin

Institute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: jtm@narod.ru
Tomsk, Russia

V. Yu Kozhevnikov

Institute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: Vasily.Y.Kozhevnikov@ieee.org
Tomsk, Russia

A. V Kozyrev

Institute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Tomsk, Russia

N. S Semenyuk

Institute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Tomsk, Russia

References

  1. Месяц Г. А. Взрывная электронная эмиссия. М.: Физматлит, 2011. 280 с.
  2. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. 705 с.
  3. Herrmann A., Balden M., Laux M., Krieger K., Muller H. W., Pugno R., Rohde, V. Arcing in ASDEX Upgrade with a tungsten first wall. // Journal of Nuclear Materials. 2009. 390—391. P 747—750.
  4. Rudakov D. L., Chrobak C. P., Doerner R. P., Krasheninnikov S. I., Moyer R. A., Umstadter K. R., Wampler W. R., Wong C. P. C. Arcing and its role in PFC erosion and dust production in DIII-D. // Journal of Nuclear Materials. 2013. V 438. P 805-808.
  5. Pitts R. A., Bardin S., Bazylev B., van den Berg M. A., Bunting P., Carpentier-Chouchana S., Coenen J. W., Corre Y., Dejarnac R., Escourbiac F., Gaspar J., Gunn J. P., Hirai T., Hong S.-H., Horacek J., Iglesias D., Komm M., Krieger K., Lasnier C., . . . Watkins J. G. Physics conclusions in support of ITER W divertor monoblock shaping. // Nuclear Materials and Energy. 2017. V. 12. P. 60-74.
  6. Плютто А. А. Ускорение положительных ионов в расширяющейся плазме вакуумных искр. // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. Вып. 6. С. 1589-1592.
  7. Короп Е. Д. , Плютто А. А. Ускорение ионов катодного материала при вакуумном пробое. // ЖТФ. 1970. Т. 40. Вып. 12. С. 2534-2537.
  8. Короп Е. Д., Плютто А. А. Влияние плазмы на эмиссию острийного катода. // ЖТФ. 1971. Т. 41. Вып. 5. С. 1055-1057.
  9. Юшков Г. Ю., Бугаев А. С., Кринберг И. А., Окс Е. М. О механизме ускорения ионов вплазме вакуумного дугового разряда. // ДАН. 2001. Т. 46. № 5. С. 41-43.
  10. Kozhevnikov V., Kozyrev A., Kokovin A., Semeniuk N. The Electrodynamic Mechanism of Collisionless Multicomponent Plasma Expansion in Vacuum Discharges: From Estimates to Kinetic Theory // Energies. 2021. V. 14. № 22. P. 7608.
  11. Кожевников В. Ю., Козырев А. В., Семенюк Н. С., Коковин А. О. Электродинамический механизм ускорения ионов в начальной стадии вакуумного пробоя // Изв. вузов. Физика. 2023. Т. 66. № 6. С. 83-91.
  12. Kozyrev A., Kozhevnikov V. Y., Semeniuk N. S., Kokovin A. O. Initial kinetics of electrons, ions and electric field in planar vacuum diode with plasma cathode. // Plasma Sci. Sources Technol. 2023. V. 32. № 10. P. 105010.
  13. Кожевников В. Ю., Козырев А. В., Игумнов В. С., Семенюк Н. С, Коковин А. О. Кинетическая теория расширения двухкомпонентной плазмы в плоском вакуумном диоде // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2023. № 6. C. 183-191.
  14. Козырев А.В., Кожевников В.Ю., Коковин А.О. Кинетическая теория расширения катодной плазмы в неоднородной геометрической конфигурации вакуумного диода // Изв. вузов. Физика. 2024. Т. 67. №5. С. 35-45.
  15. Anders A. Ion charge state distributions of vacuum arc plasmas: The origin of species // Physical Review E. 1997. V. 55. P. 969.
  16. Besse N., Sonnendrucker E. Semi-Lagrangian schemes for the Vlasov equation on an unstructured mesh of phase space // Journal of Computational Physics. 2003. V. 191. P. 341-376.
  17. Strang G. On the Construction and Comparison of Difference Schemes // SIAM J. Numer. Anal. 1968. V. 5. № 3. P. 506-517.
  18. Kozhevnikov V. Yu., Kozyrev A. V., Semeniuk N. S. Modeling of Space Charge Effects in Intense Electron Beams: Kinetic Equation Method vs PIC-method // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45. № 10. P. 2762-2766.
  19. Калиткин Н. Н., Альшин А. Б., Альшина Е.А., Рогов Б. В. Вычисления на квазиравномерных сетках. М.: Физматлит, 2005. 224 с.
  20. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Перельштейн Э.А. Феноменологическая модель неустойчивой стадии вакуумного искрового разряда // Журнал технической физики. 2009. Т. 79. № 10. С. 45-52.
  21. Torres-Cordoba R., Martinez-Garcia E. Analytical and exact solutions of the spherical and cylindrical diodes of Langmuir-Blodgett law // Phys. Plasmas. 2017. V. 24. P. 103113.
  22. Баженов Г.П., Месяц Г.А., Чесноков С.М. О замедлении скорости движения эмиссионной границы катодного факела в диоде, работающем в режиме взрывной эмиссии // Радиотехника и электроника. 1975. Т. 20. С. 2413.
  23. Шмелев Д.Л., Баренгольц С.А., Цвентух М. Численное моделирование разлета плазменного факела в искровой стадии вакуумной дуги // Изв. вузов. Физика. 2016. Т.59. № 9/3. С. 164-167.
  24. Аскарьян Г.А. Самоускорение ионизирующих частиц в электрическом поле поляризующей ионизационной петли // Письма в ЖЭТФ. 1965. Т.2. №4. С. 179.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences