Numerické modelování dielektrických bariérových výbojů

Mgr. Jaroslav Jánský, Ph.D.

Doctoral thesis

Numerical modeling of dielectric barrier discharge

Abstract:

Tato práce se v~první části zabývá modelováním Townsendovského dielektrického bariérového výboje v~dusíku s~příměsí vodíku. Analýzou jednotlivých procesů jsem prokázal vliv metastabilu N_2(A^3\Sigma^+_u) na udržení difúzního výboje. Proudová závislost s~oscilacemi, vznikající přidáváním vodíku, byla vysvětlena skrze zhášení dusíkového metastabilu N_2(A^3\Sigma^+_u) a zvyšující se vliv fotoemise a sekundární emise způsobené dopadem iontů. V~další části jsem se věnoval modelování doutnavého dielektrického bariérového výboje ve vzácných plynech.Porovnání výsledků modelu pro výboj v~heliu s~experimentem a s~ostatními publikacemi souhlasilo velmi dobře jak v~zápalném napětí, tak i ve tvaru a velikosti proudového píku. Model v~neonu byl komplikován numerickými obtížemi se započtením difúze. Byla zjištěna velmi silná závislost zápalného napětí na dusíkové příměsi. Vliv Penningovských srážek neonového metastabilu s~dusíkovými molekulami se ukázal jako významný faktor ovlivňující velikost zápalného napětí ve výboji. Dále byl vyvinut model pro výpočet proudů na Langmuirovu sondu při středním tlaku p=1,6 kPa. Pro porovnání s~experimentem byl použit model s~válcovou symetrií, ale předpoklady tohoto modelu jsou velmi striktní a proto byly namodelovány voltampérové charakteristiky jen pro nižší koncentrace elektronů. Poslední kapitola se zabývá modelem popisujícím dielektrický bariérový výboj v~koplanárním uspořádání. Základní model, který byl dosud vytvořen, velmi dobře popisuje chování streameru v~jeho počátečních fázích. Časový vývoj intenzity elektrického pole je v~modelu i experimentu velmi podobný.

Abstract:

This thesis deals in the first part with modeling of Townsend dielectric barrier discharge in nitrogen with hydrogen admixture. The work proved the significance of nitrogen metastable N_2(A^3\Sigma^+_u) for sustaining the diffuse discharge. Oscillating current profile in nitrogen with hydrogen admixture was explained by quenching of metastable N_2(A^3\Sigma^+_u) and increasing influence of photoemission and secondary electron emission by nitrogen ions. The next part was concerned with the model of glow dielectric barrier discharge in rare gases. The results for helium agree very well with experimental data, especially the ignition voltage and current profiles. The model for neon was more complicated due to numerical problem with the diffusion. Strong dependency of ignition voltage on nitrogen density was observed. Penning ionization of neon metastable and nitrogen molecule is important factor for determination of ignition voltage. In the following part the model for calculation of Langmuir probe current was developed. The cylindrical symmetry was used for comparison with experimental data but very strict assumptions allowed modeling of voltage-current characteristics only for low densities. The last chapter deals with model of barrier discharge in coplanar arrangement. The model provides a correct description of the start of the streamer evolution. The time evolution of electric field is very similar in both model and experiment.

Keywords

počítačové modelování, fluidní model, bariérové výboje, dusík, helium, neon

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 1. 7. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. David Trunec, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Stanislav Novák, CSc., prof. RNDr. Rudolf Hrach, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics