Published June 15, 2000 | Version v1
Publication Open

Structure of plasmas generated by the interaction between metallic ions and neutral gas particles in a low-pressure arc

  • 1. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Description

A numerical solution for the metallic-plasma-neutral-gas structure generated in a low-pressure arc is presented. The equations correspond to a spherically symmetric fluid-like steady model, valid for the outer region of the arc, and describe the ion slowing down by elastic scattering with the neutral particles. Technically, the obtention of the profiles of different magnitudes is complicated due to the existence of a critical point in the steady-state system of equations. The proposed approach to overcome this difficulty is to solve instead a pseudotransient system of equations which rapidly and efficiently relax to the stationary state. By employing this numerical method of second-order accuracy in space, the plasma and neutral gas density, the electron and ion drift velocities, the electron and neutral temperatures, and the electrostatic potential profiles are obtained from the border of the arc channel up to the discharge chamber wall. It is found that the value of the neutral gas filling pressure strongly influences the plasma density and plasma potential distributions. An important result is that metallic ions emitted from the arc channel deliver their kinetic energy to the filling gas in a gradual manner, up to a pressure-dependent point beyond which they move to the walls sustained against collisions with the gas by a self-consistent electric field. Near the mentioned point, the metallic ion density presents a peculiar behavior, showing an increase that is more pronounced at high pressures; a pattern also evident in the electrostatic potential.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتم تقديم حل رقمي لهيكل الغاز المعدني والبلازما المحايد المتولد في قوس منخفض الضغط. تتوافق المعادلات مع نموذج ثابت يشبه المائع متماثل كرويًا، صالح للمنطقة الخارجية للقوس، ويصف الأيون الذي يتباطأ عن طريق التشتت المرن مع الجسيمات المحايدة. من الناحية الفنية، فإن تركيز الملامح ذات الأحجام المختلفة معقد بسبب وجود نقطة حرجة في نظام المعادلات ذات الحالة المستقرة. النهج المقترح للتغلب على هذه الصعوبة هو حل نظام عابر زائف من المعادلات التي تسترخي بسرعة وكفاءة إلى الحالة الثابتة. باستخدام هذه الطريقة العددية للدقة من الدرجة الثانية في الفضاء، يتم الحصول على كثافة البلازما والغاز المحايد، وسرعات انجراف الإلكترون والأيون، ودرجات حرارة الإلكترون والمحايد، ومقاطع الجهد الكهروستاتيكي من حدود قناة القوس حتى جدار غرفة التفريغ. وجد أن قيمة ضغط ملء الغاز المحايد تؤثر بقوة على كثافة البلازما وتوزيعات جهد البلازما. تتمثل إحدى النتائج المهمة في أن الأيونات المعدنية المنبعثة من قناة القوس تنقل طاقتها الحركية إلى غاز الملء بطريقة تدريجية، حتى نقطة تعتمد على الضغط تنتقل بعدها إلى الجدران التي يتم تحملها ضد الاصطدامات بالغاز بواسطة حقل كهربائي متماسك ذاتيًا. بالقرب من النقطة المذكورة، تقدم كثافة الأيونات المعدنية سلوكًا غريبًا، حيث تظهر زيادة أكثر وضوحًا عند الضغوط العالية ؛ وهو نمط واضح أيضًا في الجهد الكهروستاتيكي.

Translated Description (French)

Une solution numérique pour la structure métal-plasma-gaz neutre générée dans un arc à basse pression est présentée. Les équations correspondent à un modèle stable de type fluide à symétrie sphérique, valable pour la région externe de l'arc, et décrivent le ralentissement ionique par diffusion élastique avec les particules neutres. Techniquement, l'obtention des profils de différentes grandeurs est compliquée en raison de l'existence d'un point critique dans le système d'équations en régime permanent. L'approche proposée pour surmonter cette difficulté consiste plutôt à résoudre un système d'équations pseudotransient qui se détend rapidement et efficacement à l'état stationnaire. En utilisant cette méthode numérique de précision de deuxième ordre dans l'espace, la densité du plasma et du gaz neutre, les vitesses de dérive des électrons et des ions, les températures des électrons et des neutres et les profils de potentiel électrostatique sont obtenus à partir de la bordure du canal d'arc jusqu'à la paroi de la chambre de décharge. On constate que la valeur de la pression de remplissage du gaz neutre influence fortement les distributions de la densité du plasma et du potentiel du plasma. Un résultat important est que les ions métalliques émis par le canal d'arc délivrent leur énergie cinétique au gaz de remplissage de manière progressive, jusqu'à un point dépendant de la pression au-delà duquel ils se déplacent vers les parois soutenues contre les collisions avec le gaz par un champ électrique autocohérent. Près du point mentionné, la densité d'ions métalliques présente un comportement particulier, montrant une augmentation plus prononcée aux hautes pressions ; un motif également évident dans le potentiel électrostatique.

Translated Description (Spanish)

Se presenta una solución numérica para la estructura metal-plasma-neutro-gas generada en un arco de baja presión. Las ecuaciones corresponden a un modelo estable similar a un fluido esféricamente simétrico, válido para la región externa del arco, y describen la desaceleración del ion por dispersión elástica con las partículas neutras. Técnicamente, la obtención de los perfiles de diferentes magnitudes se complica debido a la existencia de un punto crítico en el sistema de ecuaciones en estado estacionario. El enfoque propuesto para superar esta dificultad es resolver, en cambio, un sistema pseudotransitorio de ecuaciones que se relaje rápida y eficientemente al estado estacionario. Al emplear este método numérico de precisión de segundo orden en el espacio, la densidad de plasma y gas neutro, las velocidades de deriva de electrones e iones, las temperaturas de electrones y neutro, y los perfiles de potencial electrostático se obtienen desde el borde del canal de arco hasta la pared de la cámara de descarga. Se encuentra que el valor de la presión de llenado de gas neutro influye fuertemente en la densidad del plasma y las distribuciones de potencial del plasma. Un resultado importante es que los iones metálicos emitidos desde el canal del arco entregan su energía cinética al gas de llenado de manera gradual, hasta un punto dependiente de la presión más allá del cual se mueven hacia las paredes sostenidas contra las colisiones con el gas por un campo eléctrico autoconsistente. Cerca del punto mencionado, la densidad de iones metálicos presenta un comportamiento peculiar, mostrando un aumento que es más pronunciado a altas presiones; un patrón también evidente en el potencial electrostático.

Files

paper_00218979_v87_n12_p8316_Kelly.pdf.pdf

Files (391.7 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e09fa9dc0ee2c41462ba5db32b9c13a1
391.7 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
بنية البلازما الناتجة عن التفاعل بين الأيونات المعدنية وجزيئات الغاز المتعادلة في قوس منخفض الضغط
Translated title (French)
Structure des plasmas générés par l'interaction entre les ions métalliques et les particules de gaz neutre dans un arc basse pression
Translated title (Spanish)
Estructura de plasmas generados por la interacción entre iones metálicos y partículas de gas neutro en un arco de baja presión

Identifiers

Other
https://openalex.org/W1987358523
DOI
10.1063/1.373543

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1974096998
  • https://openalex.org/W1974332914
  • https://openalex.org/W2009136561
  • https://openalex.org/W2011036744
  • https://openalex.org/W2014137241
  • https://openalex.org/W2016745654
  • https://openalex.org/W2021897618
  • https://openalex.org/W2059738323
  • https://openalex.org/W2067688359
  • https://openalex.org/W2084941553
  • https://openalex.org/W2130773729
  • https://openalex.org/W58619240