Численное изучение разреженной плазмы

Издание посвящено изучению физических процессов, протекающих в рабочей камере высокочастотного разряда низкого давления геликонного типа и в коаксиальном магнитоплазменном ускорителе.

Сформулирована приближенная математическая модель физических процессов в геликонном источнике низкотемпературной разреженной плазмы, которая позволяет решить самосогласованную задачу нахождения математических связей между вкладываемой мощностью, параметрами плазмы и электромагнитными полями, возбуждаемыми в цилиндрически симметричном высокочастотном источнике плазмы. Построена приближенная математическая модель импульсного коаксиального магнитоплазменного ускорителя, позволяющая выполнить расчет его основных электрофизических характеристик.

Для студентов-бакалавров по направлению подготовки «Ядерная энергетика и теплофизика» физико-технических специальностей вузов.

Список литературы

1. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1992. 536 с.
2. Rose F. E., Taylor M. T., Bowers R. Low-frequency magneto-plasma resonances in sodium // Phys. Rev. 1962. Vol. 127. P. 1122–1124.
3. Harding G. N., Thonemann P. C. A study of helicon waves in indium // Proc. Phys. Soc. 1965. Vol. 85. P. 317–328.
4. Lehane J. A., Thonemann P. C. An experimental study of helicon wave propagation in a gaseous plasma // Proc. Phys. Soc. 1965. Vol. 85. P. 301–316.
5. Boswell R. W. Plasma production using a standing helicon wave // Phys. Lett. 1970. Vol. 33A. P. 457–458
6. Boswell R. W. Very efficient plasma generation by whistler waves near the lower hybrid frequency // Plasma Physics and Controlled Fusion. 1984. Vol. 26. P. 1147–1162.
7. Chen F. F. Plasma ionization by helicon waves // Plasma Physics and Controlled Fusion. 1991. Vol. 33. P. 339–364.
8. Boswell R. W., Chen F. F. Helicons, the early years // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997. Vol. 25. P. 1229–1244.
9. Chen F. F., Boswell R. W. Helicons, the past decade // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997. Vol. 25. P. 1245–1257.
10. Александров А. Ф., Бугров Г. Э., Воробьев Н. Ф. и др. Высокочастотные источники плазмы низкой мощности // Прикладная физика. 1995. № 1. С. 3–22.
11. Shamrai K., Alexandrov A., Bougrov G. et al. Quasistatic plasma sources: Physical principles, modelling experiments, application aspects // Journal de Physique IV. 1997. Vol. 7 (C4). P. 365–381.
12. Александров А. Ф., Воробьев Н. Ф., Кралькина Е. А., Обухов В. А., Рухадзе А. А. Теория квазистатических плазменных источников // ЖТФ. 1994. Т. 64, № 11. С. 53–58.
13. Александров А. Ф., Бугров Г. Э., Вавилин К. В., Керимова И. Ф., Кралькина Е. А., Павлов В. Б., Плаксин В. Ю., Рухадзе А. А. Исследование индуктивного ВЧ-разряда как самосогласованной системы. VII–I // Прикладная физика. 2006. (VII) Т. 5. С. 39–46; (VI) Т. 5. С. 33–38; (V) Т. 4. С. 54–59; (IV) Т. 2. С. 41–46; (III) 2006. Т. 1. С. 36–42; (II) 2005. Т. 5. С. 72–78; (I) 2005. Т. 4. С. 70–74.
14. Chen F. F. Helicon discharges and sources: a review // Plasma Sources Sci. Technol. 2015. Vol. 24. P. 014001–25
15. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М.: Мир, 1987. 398 с.
16. Charles C., Boswell R. W. Laboratory evidence of a supersonic ion beam generated by a current-free “helicon” double-layer // Physics of Plasmas. 2004. Vol. 11. P. 1706–1714.
17. Chen F. F., Amush D. Generalized theory of helicon waves. I. Normal modes // Plasma Phys. 1997. Vol. 4. P. 3411–3421.
18. Rayner J., Cheethan A. Helicon modes in a cylindrical plasma source // Plasma Sci. Techn. 1999. Vol. 8. P. 79–87
19. Гинзбург В.Л., Рухадзе А. А. Волны в магнитоактивной плазме. М.: На-ука, 1975. 254 с.
20. Александров А. Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А. А. Основы электродинамики плазмы. М.: Высш. шк., 1988. 423 с.
21. Gao Z., Yu-Qing X., Chao M. et al. Characterization of plasma in a short-tube helicon source // Acta Phys. Sin. 2014. Vol. 63. P. 235202–7.
22. Takahashi K., Motomura T., Ando A., Kasashima Y., Kikunaga K., Uesugi F., Hara S. Transport of a helicon plasma by a convergent magnetic field for high speed and compact plasma etching // Journal of Physics D: Applied Physics. 2014. Vol. 47. P. 425201–9.
23. Light M., Chen F. F., Colestock P. L. Quiescent and unstable regimes of a helicon plasma // Plasma J. Sci. Techn. 2002. Vol. 11. P. 273–278
24. Sakawa Y., Takino Т., Shoji T. Contribution of slow waves on production of highdensity plasmas by m=0 helicon waves // Phys. Plasmas. 1999. Vol. 6. P. 4759–4766.
25. Matsuoka T., Rudenko T. S., Funaki I. et al. One dimensional modeling of radio frequency electric field penetration into magnetized plasmas // Japanese Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 51. P. 096201–8
26. Арсенин А. В., Лейман В. Г., Тараканов В. П. Численное моделирование высокочастотного индукционного разряда с нейтральным контуром (NLD) // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2003. № 4. С. 19–29.
27. Александров А. Ф., Бугров Г. Э., Вавилин К. В., Керимова И. К., Кондранин С. Г., Кралькина Е. А., Павлов В. Б., Плаксин В. Ю., Рухадзе А. А.Cамо-согласованная модель ВЧ индуктивного источника плазмы, помещенного во внешнее магнитное поле // Физика плазмы. 2004. Т. 30, № 5. С. 434–449.
28. Kudrin A. V., Es’kin V. A. Whistler wave propagation in a bounded collisional magnetoplasma // Physica Scripta. 2006. Vol. 74, No. 4. P. 425–438.
29. Kudrin A. V., Es’kin V.A., Krafft C., Zaboronkova T. M. Whistler wave excitation by a loop antenna in a bounded collisional magnetoplasma // Physica Scripta. 2008. Vol. 77, No. 5. P. 055501–11.
30. Еськин В. А., Заборонкова Т. М., Кудрин А. В. Волны свистового диапазона, направляемые дактами с повышенной плотностью в столкновительной магнитоактивной плазме // Изв. вузов. 2008. Т. 51, № 1. С. 31–49
31. Еськин В. А., Кудрин А. В. Возбуждение волн свистового в столкновительной магнитоактивной плазме при наличии дактов с повышенной плотностью // Физика плазмы. 2009. Т. 35, № 9. С. 834–845.
32. Еськин В. А., Кудрин А. В. Стационарная структура высокочастотного разряда, поддерживаемого распределенным электромагнитным источником при наличии внешнего магнитного поля // ЖЭТФ. 2010. Т. 137, № 4. С. 797–806.
33. Shinohara S., Nishida H., Tanikawa T. et al. Development of electrodeless plasma thrusters with high-density helicon plasma sources // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 42. P. 1245–1254.
34. Charles C., Boswell R. W., Takahashi K. Investigation of radiofrequency plasma sources for space travel // Plasma Phys. and Contr. Fusion. 2012. Vol. 54. P. 124021–29
35. Donnelly V. M., Kornblit A. Plasma etching: Yesterday, today and tomor row // J. Vac. Sci. Technol. A. 2013. Vol. 31 (5). P. 050825–2
36. Chen F. F., Blackwell D. D. Upper limit to Landau damping in helicon discharges // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. P. 2677–2680
37. Miljak D. G., Chen F. F. Helicon wave excitation with rotating antenna field // Plasma Sources Sci. Technol. 1998. Vol. 7. P. 61–74
38. Shinohara S., Hada T., Motomura T., Tanaka K., Tanikawa T., Toki K., Tanaka Y., Shamrai K. P. Development of high-density helicon plasma sources and their applications // Phys. Plasmas. 2009. Vol. 16. P. 057104–4
39. Virko V. F., Kirichenko G. S., Shamrai K. P. Geometrical resonances of helicon waves in an axially bounded plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. Vol. 11. P. 10–26.
40. Chevalier G., Chen F. F. Experimental modeling of inductive discharges // J. Vac. Sci. Technol. A. 1993. Vo l . 11. P. 1165–1171.
41. Брагинский О. В., Васильева А. Н., Ковалев А. С. Геликонный источник плазмы // Микроэлектроника. 2002. Т. 31, № 6. С. 403–407.
42. Guo X. M., Scharer J., Mouzouris Y., Louis L. Helicon experiments and simulations in nonuniform magnetic field configurations // Phys. Plasmas. 1999. Vol. 6. P. 3400–3407.
43. Blackwell D. D., Madziwa T. G., Arnush D., Chen F. F. Evidence for Trivel-piece-Gould modes in a helicon discharge // Phys. Rev. Lett. 2002. Vo l . 88. P. l45002–4.
44. Вавилин К.В., Плаксин В. Ю., Ри М. Х., Рухадзе А. А. Радиочастотные источники плазмы малой мощности для технологических приложений. II. Источники плазмы в условиях аномального скин-эффекта // ЖТФ. 2004. Т. 74. С. 25–34
45. Рухадзе А. А., Вавилин К. В. Геликонный источник плазмы в ионно-звуковой области частот // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 9. С. 859–864.
46. Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley, 1994. 572 p.
47. Райзер Ю. П., Шнейдер М. Н., Яценко Н. А. Высокочастотный емкостной разряд. Физика. Техника эксперимента. Приложения. М.: Наука, 1995. 320 c
48. Virko V. F., Slobodyan V. M., Shamrai K. P. et al. Helicon discharge excited by a planar antenna in a bounded volume // Problems of Atomic Science and Technology. 2014. Vol. 6. P. 130–136.
49. Light M., Chen F. F. Helicon wave excitation with helical antennas // Phys. Plasmas. 1995. Vol. 2. P. 1084–1093.
50. Blackwell D. D., Madziwa T. G., Arnush D., Chen F. F. Evidence for Trivelpiece-Gould modes in a helicon discharge // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. P. 145002–4.
51. Arnush D. The role of Trivelpiece-Gould waves in antenna coupling to helicon waves // Phys. Plasmas. 2000. Vol. 7. P. 3042–3050.
52. Miljak D. G., Chen F. F. Density limit in helicon discharges // Plasma Sources Sci. Technol. 1998. Vol. 7. P. 537–549.
53. Chen F. F., Blackwell D. D. Upper limit to Landau damping in helicon discharges // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. P. 2677–2680.
54. Blackwell D. D., Chen F. F. Time-resolved measurements of the EEDF in a helicon plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 2001. Vol. 10. P. 226–235.
55. Chen F. F. The low-field density peak in helicon discharges // Phys. Plasmas. 2003. Vol. 10. P. 2586–2592
56. Shinohara S. Characteristics of a large volume, helicon plasma source // Phys. Plasmas. 2005. Vol. 12. P. 044502–5
57. Kinder R. L., Kushner M. J. Noncollisional heating and electron energy distributions in magnetically enhanced inductively coupled and helicon plasma sour-ces // J. Appl. Phys. 2001. Vol. 90. P. 3699–3712.
58. Kinder R. L., Kushner M.J. Wave propagation and power deposition in magnetically enhanced inductively coupled and helicon plasma sources // J. Vac. Sci. Technol. A. 2001. Vol. 19. P. 76–86.
59. Kinder R. L., Ellingboe A. R., Kushner M. J. H- to W-mode transitions and properties of a multimode helicon plasma reactor // Plasma Sources Sci. Technol. 2003. Vol. 12. P. 561–575
60. Guo X., Scharer J. E., Mouzouris Y., Louis L. Helicon experiments and simulations in nonuniform magnetic field // Physics of Plasmas. 1999. Vol. 6. P. 3400–3407
61. Tysk S. M., Denning С. М., Scharer J. E., Akhtar K. Optical wave measurements and modeling of helicon plasmas for a wide range of magnetic fields // Phys-ics of Plasmas. 2004. Vo l . 11. P. 878–887
62. Сазонтов В. А., Семенов В. Е., Смирнов А. И. Одномерная модель геликонного разряда // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 11. С. 1048–1056.
63. Chen W., Sugita K., Morikawa Y., Yasunami S., Hayashi T., Uchida T. Application of magnetic neutral loop discharge plasma in deep silica etching // J. Vac. Sci. Technol. A. 2001. Vo l . 19. P. 2936–2940
64. Сыргин В. К., Кондыба П. Е. Источник плазмы высокой плотности // Изв. вузов. Электроника. 2000. № 4–5. С. 114–117
65. Кралькина Е. А. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе // УФН. 2008. Т. 178. С. 519–540.
66. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 684 с.
67. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Физическая кинетика. М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1979. 528 с.
68. Афанасьев Ю. В., Гамалий Е. Г., Розанов В. Б. Основные уравнения динамики и кинетики лазерной плазмы // Труды ФИАН АН СССР. 1982. Т. 134. С. 10–31
69. Тихонов А. И., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 742 с
70. Fertig M., Dohr A., Fruhauf H. H. Transport coefficient for high temperature nonequilibrium air flows // AIAA Paper. 1998. Vo l . 98. P. 2937–23.
71. Бычков К. В., Холтыгин А. Ф. Элементарные процессы в астрофизической плазме. М.: Государственный астрономический институт им. П. К. Штерн-берга, 2008. 199 с
72. Кралькина Е. А. Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления: дис. … д-ра физ.- мат. наук. М.: Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, 2008. 301 с.
73. Радциг А. А., Смирнов Б. М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980. 241 с.
74. Четверушкин Б. Н. Математическое моделирование задач динамики излучающего газа. М.: Наука, 1985. 303 с.
75. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 686 с.
76. Фортов В. Е., Храпак А. Г., Храпак С. А., Молотков В. И., Петров О. Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. С. 495–544
77. Сысун В. И. Источники плазмы высокой плотности на основе индукционно-связанного разряда // Изв. вузов. Электроника. 2000. № 4. С. 1–31
78. Никифоров А. Ф., Новиков В. Г., Уваров В. Б. Квантово-статистические модели высокотемпературной плазмы и методы расчeта росселандовых про-бегов и уравнений состояния. М.: Физматлит, 2000. 400 с.
79. Бельков С.А., Гаспарян П. Д., Кочубей Ю. К., Митрофанов Е. И. Модель среднего иона для расчета состояния многозарядной нестационарной неравно-весной плазмы // ЖЭТФ. 1997. Т. 111, вып. 2. С. 496–513.
80. Бельков С. А., Бондаренко С. В., Митрофанов Е. И. Уравнение состояния вещества в модели среднего иона для лазерной плазмы // Квантовая электроника. 2000. Т. 30, № 11. С. 963–969
81. Алексенко О. В., Мирошниченко В. И., Мордик С. Н. Пространственное распределение потерь ВЧ электромагнитного поля в плазменном источнике геликонного типа // Физика плазмы. 2014. Т. 40, № 8. С. 764–770
82. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справ. книга. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1986. 488 с.
83. Цаглов А. И., Лоян А. В., Кошелев Н. Н., Рыбалов О. П. Результаты испытаний безэлектродного электрореактивного двигателя малой мощности с ВЧ ионизацией РТ // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 8. С. 212–217.
84. Shinohara S., Tanikawa T., Hada T. et al. High-density helicon plasma sources: basics and application to electrodeless electric propulsion // Fusion Science and Technology. 2013. Vol. 63 (1T). P. 164–167
85. Chen F. F. Ion ejection from a permanent-magnet mini-helicon thruster // Physics of Plasmas. 2014. Vol. 21. P. 093511–5
86. Shabshelowitz A., Gallimore A. D., Peterson P. Y. Performance of a helicon Hall thruster operating with Xenon, Argon and Nitrogen // Journal of Propulsion and Power. 2014. Vol. 30. P. 664–671.
87. Сивков А. А., Исаев Ю. Н., Васильева О. В., Купцов А. М. Математическое моделирование коаксиального магнитоплазменного ускорителя // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317, № 4. URL: http://www.lib.tpu.ru/fulltext/v/Bulletin_TPU/2010/v317/i4/16.pdf (дата обращения 10.04.15).
88. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. 661 c.
89. Жуков Б. Г., Резников Б. И., Куракин Р. О., Розов С. И. Влияние плотности газа на движение свободного плазменного поршня в канале рельсотрона // ЖТФ. 2007. Т. 77, вып. 7. С. 43–49.
90. Дьяков Б. Б., Резников Б. И. Абляция электродов при электродинамическом ускорении // ЖТФ. 1989. Т. 59, вып. 6. С. 148–150
91. Александров А. Ф., Вавилин К. В., Кралькина Е. А. и др. Исследование параметров плазмы ВЧ индуктивного источника плазмы диаметром 46 см. Ч. I: Параметры плазмы в области скин-слоя // Прикладная физика. 2013. № 5. С. 34–37; Ч. II: Математическое моделирование параметров плазмы индуктивного и гибридного ВЧ-разрядов // Прикладная физика. 2014. № 1. С. 9–11; Ч. III: Эффективность вложения мощности // Прикладная физика. 2014. № 2. С. 17–20.
92. Мордик С. Н., Возный В. И., Мирошниченко В. И., Нагорный А. Г., Нагорный Д. А., Сторижко В. Е., Шульга Д. П. Геликонный источник ионов в режиме высокой плотности плазмы // Вопросы атомной науки и техники. 2006. № 5. Сер. Плазменная электроника и новые методы ускорения (5). С. 208–211.
93. Кузенов В. В., Рыжков С. В. Отдельные элементы физико-математической модели геликонного разряда // Прикладная физика. 2015. № 2. С. 37–44.
94. Kuzenov V. V., Frolko P. A. Approximated Model of the Coaxial Pulsed Plasma Thruster // 5th International Workshop on Computer Science and Engineering: Information Processing and Control Engineering, WCSE2015-IPCE. P. 48–53
95. Кузенов В. В., Рыжков С. В., Фролко П. А., Шумаев В. В. Математическая модель импульсного плазменного двигателя с предионизацией геликонным разрядом // Труды МАИ. 2015. № 82. URL: https://www.mai.ru/upload/iblock/24a/kuzenov-ryzhkov-shumaev-frolko_rus.pdf (дата обращения 12.04.2015).
96. Kuzenov V. V., Polozova T. N., Ryzhkov S. V. Numerical Simulation of pulsed plasma thruster with a preionization helicon discharge // Problems of Atomic Science and Technology. 2015. No. 4 (98). P. 49–52.
97. Полозова Т. Н. Исследование разряда геликонного типа для применения в машиностроении, медицине и материаловедении // Молодежный научно-технический вестник. 2015. № 10. http://sntbul.bmstu.ru/doc/815572.html (дата обращения 17.04.2015).
98. Кузенов В. В., Лебо А.И., Лебо И.Г., Рыжков С.В. Физико-математические модели и методы расчета воздействия мощных лазерных и плазменных импульсов на конденсированные и газовые среды. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 328 с.