Dynamics of Ion and Electron Flows in the Penning Discharge Chamber

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The two-fluid and two-temperature diffusion-drift model of gas-discharge plasma is used to study numerically the structure of the Penning discharge in a cylindrical discharge chamber at the molecular hydrogen pressure of 1 mTorr, the voltage between the electrodes of 500–1000 V, and the axial magnetic field induction of 0.001–0.2 T. Two regimes of existence of the Penning discharge are obtained in the calculations. These regimes differ qualitatively in the electrodynamic structure of the charged-particle flows of gas-discharge plasma, as well as there exist transient and extinction regimes in the weak and strong magnetic fields. The conditions under which the oscillatory motion of electron and ion flows develops in the paraxial regions are found. It is shown that the results of numerical simulation with the use of the diffusion-drift model make it possible to obtain consistent data in comparison with experiment, and at the same time to get an insight about the formation of the structure of flows of electric-discharge plasma particles. This makes it possible to explain the observed experimental data.

About the authors

S. T. Surzhikov

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: surg@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Penning F.M. The Glow Discharge at Low Pressure Between Coaxial Cylinders in an Axial Magnetic Field// Fhysica III. 1936. № 9. Р. 873–894.
  2. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 543 с.
  3. Hirsch E.N. On the Mechanizm of The Penning Discharge // Brit. J. Appl. Phys. 1964. V. 15. Р. 1535–1544.
  4. Мамедов Н.В. Физические основы генерации ионных пучков в плазменных источниках нейтронных трубок: Уч. пособ. М.: Буки Веди, 2021. 388 с.
  5. Мамедов Н.В., Масленников С.П., Солодовников А.А., Юрков Д.И. Влияние магнитного поля на характеристики импульсного пеннинговского ионного источника// Физика плазмы. 2020. T. 46. № 2. стр. 172–185.
  6. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат. 1972. 304 с.
  7. Веников Н.И. Источники ионов для ускорителей. Препринт ИАЭ-3217. 1979. 54с.
  8. Loeb H.W. Plasma-based ion beam sources// Plasma Phys. Control. Fusion.2005. V. 47. B565–B576
  9. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат. 1986. 249 с.
  10. Rovey J.L. Design parameter investigation of a cold-cathode Penning ion source for general laboratory applications// Plasma Sources Sci. Technol. 2008. 17. 035009. 7 pp.
  11. Коротаев Ю.В., Мешков И.Н., Поляков В.Н., Смирнов А.В., Сыресин Е.М., Лей Р., Транквилль Ж. Разряд Пеннинга в электронно-оптических приборах с магнитным сопровождением // Журнал технической физики. 1997. Вып. 11. С. 124–126.
  12. Рачков Р.С., Масленников С.П., Юрков Д.И. Исследование амплитудно-временных характеристик разряда Пеннинга в миниатюрных ионных источниках // Атомная энергия. 2019. Т. 127. Вып. 1. С. 39–43.
  13. Мамедов Н.В., Щитов Н.Н., Колодко Д.В., Сорокин И.А., Синельников Д.Н. Разрядные характеристики плазменного источника Пеннинга // ЖТФ. 2018. № 8. С. 1164–1171.
  14. Мамедов Н.В., Щитов Н.Н., Каньшин И.А. Исследование зависимостей эксплуатационных характеристик источника ионов Пеннинга от его геометрических параметров // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т. 16(4). http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-4/articles/590/
  15. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит. 2006. 576 с.
  16. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. Магнитная гидродинамика. М.: Физматгиз, 1962. 235 с.
  17. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. 1966. 624 с.
  18. Мамедов Н.В., Масленников С.П., Пресняков Ю.К., Солодовников А.А., Юрков Д.И. Моды разряда пеннинговского ионного источника при импульсном и стационарном режиме питания // ЖТФ. 2019. Т. 89. Вып.9. С. 1367–1374.
  19. Dikalyuk A.S. Development of Particle-in-Cell Solver for Numerical Simulation of Penning Discharge. // AIAA 2017–0842. 2017. p. 22
  20. Rokhmanenkov A.S., Kuratov S.E. Numerical Simulation of Penning Gas Discharge in 2D/3D//J. Phys.: Conf. Ser. 1250. 2019. 012036
  21. Tyushev M., Papahn Zadeh M., Sharma V., Sengupta M., Raitses Y., Boeuf J.-P., Smolyakov A. Azimuthal structures and turbulent transport in Penning discharge // arXiv preprint arXiv:2210.16887. 2022.
  22. Surzhikov S.T. Theoretical and Computational Physics of Gas Discharge Phenomena. Series: Texts and Monographs in Theoretical Physics. de Gruyter: Berlin. 2020. 537 p.
  23. Surzhikov S.T. Diffusion-Drift Modeling of the Electrodynamic Structure of the Penning Discharge in Molecular Hydrogen// Fluid Dynamics. 2023. V. 50. № 8. 21 p.
  24. Суржиков С.Т. Двухмерная структура разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем при давлении порядка 1 Торр // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 3. С. 64–71.
  25. Суржиков С.Т. Двумерная модель разряда Пеннинга в цилиндрической камере с осевым магнитным полем//Журнал технической физики. 2017. Т. 87. Вып. 8. С. 1165–1176.
  26. Суржиков С.Т., Куратов С.Е. Модифицированная диффузионно-дрейфовая модель разряда Пеннинга//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15. Вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-6/articles/257/
  27. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука, 1984. 392 с.
  28. Баранов В.Б., Краснобаев К.В. Гидродинамическая теория космической плазмы. М.: Наука. 1977.
  29. Surzhikov S.T., Shang J.S. Two-component plasma model for two-dimensional glow discharge in magnetic field//Journal of Computational Physics. 2004. 199. Р. 437–464.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences