Модель распада тела стримера. Московский физико-технический институт (государственный университет). МФТИ (ГУ)

Хорьков В. А., Деминский М. А., Книжник А. А.

РНЦ «Курчатовский институт»

В данной работе представлены результаты моделирования конверсии метана в импульсном СВЧ разряде [1]. Поскольку основное число актов конверсии происходит вне плазменного канала, была построена модель распада СВЧ стримера. Данная модель может, также применяться для анализа распада плазменных каналов с другими механизмами образования. Наибольшее внимание уделялось процессам переноса и гибели ионов, поскольку именно они являются активными частицами в рассмотренном химическим процессе [2], [3].

Основными рассмотренными процессами являются электрон-ионная рекомбинация, диффузия и гибель заряженных частиц на стенках камеры. Аналитическое решение даже модели, включающей только эти процессы, невозможно. Поэтому процесс был разделен на две стадии: рекомбинационного и диффузионного распада. Время завершения первой стадии $~10^{-4}-10^{-5}с$ , концентрация электронов при этом падает до $~3*10^{11} см^{-3}$ , однако время жизни оставшихся частиц очень велико ( $t_{lifetime} \approx \frac{{R_{camera}^2 }}{{4D_a }} \approx 0.3s$ ). Окончательная энергетическая цена конверсии (включающая поправку на диффузионное расширение канала за время рекомбинационного распада) может быть получена: $P = \frac{{4r^2 }} {{R^2 }}\frac{{K_r }} {{K_{conversion} }}C\ln \left( {\frac{{n_{e(\text{start value})} }} {{n_{e(\text{switch})} }}} \right)^{ - 1} ~0.1-1. eV$ , где C – энерговклад на молекулу стримера (~5eV). Данный результа находится в разумном соответствии с экспериментальным результатом (~0.25 eV на молекулу).

Основная неопределенность в предыдущем результате связано со следующими тремя причинами: погрешность в константе конверсии метана, пренебрежение гидродинамическим расширением канала и грубое описание перехода от рекомбинационного распада к диффузионному распаду. Для исключения двух последних источников ошибок процесс распада (этап перехода от рекомбинационного распада к диффузионному) был промоделирован численно. При этом использовалась модель, включающая рекомбинацию активных частиц, многокомпонентную диффузию, ионный дрейф в амбиполярном электрическом поле, гидродинамическое расширение (включая образование ударной волны), теплопроводность, энергетические потери связанные с химическими реакциями. Численный расчет, в частности, показал, что около 25% вложенной СВЧ энергии расходуется на образование ударной волны, которая, однако, не производит значительных изменений в распределении активных частиц.

Литература

С. В. Потехин, Б. В. Потапкин, М. А. Деминский, В. Д. Русанов, Химия Высоких Энергий, 1997, v. 33(1), стр. 59
Р. В. Смирнов, Тезисы кандидатских диссертаций МФТИ, 1999.
В. А. Хорьков, М. А. Деминский, А. А. Книжник, Тезисы XLII Научной конференции МФТИ 1999.