Generation of Runaway Electrons near Micro-Inhomogeneities on the Cathode Surface in Subnanosecond Self-Sustained Discharges in a Wide Range of High Pressures

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of numerical 3D modeling of the development of an electron avalanche initiated by a field emission electron in a small-sized region of an amplified electric field near the microinhomogeneities at the cathode have been presented. The simulation has been carried out for the discharge gaps with an initially homogeneous distribution of the electric field with a reduced intensity significantly lower than that required by the electron runaway criterion. The possibility of the transition of the field emission electrons initiating avalanches and the electrons in these avalanches into runaway regime has been investigated. The microinhomogeneities in the form of a cone, metal droplets, and boundaries between pores or microcraters have been considered. The calculations were carried out for nitrogen in the pressure range from atmospheric to 40 atm. It has been shown that the initial energy obtained near the microinhomogeneity can significantly facilitate the transition of the electron into the runaway mode. And the electron will continue to run away in a discharge gap electric field weak according to the runaway criterion. It has been shown that this effect is especially noticeable at gas pressures above 10 atm. A comparative analysis of the simulation results with the experimental data obtained by us on the switching characteristics of a discharge gap filled with nitrogen when exposed to voltage pulses with subnanosecond fronts of different steepness has been carried out. This made it possible to divide the ranges of experimental conditions into those when only the amplification of the electric field near the microinhomogeneities is sufficient for the runaway of electrons and when the electric field of an avalanche of critical or close to critical size is additionally necessary for the runaway.

About the authors

S. N. Ivanov

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: stivan@iep.uran.ru
Yekaterinburg, Russia

V. V. Lisenkov

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: stivan@iep.uran.ru
Yekaterinburg, Russia

References

  1. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск: Наука, 1982.
  2. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука, 1991.
  3. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах / Пер. с нем. под ред. В.С. Комелькова. М.: Мир, 1968.
  4. Месяц Г.А., Бычков Ю.И., Кремнев В.В. // УФН. 1972. Т. 107. С. 201.
  5. Бабич Л.П., Лойко Т.В., Цукерман В.А. // УФН. 1990. Т. 160. С. 49.
  6. Babich L.P. High-energy Phenomena in Electric Discharges in Dense Gases. Theory, Experiment and Natural Phenomena. ISTC Science and Technology Series. V. 2. Arlington, Virginia: Futurepast, 2003.
  7. Генерация убегающих электронов и рентгеновского излучения в разрядах повышенного давления / Под ред. В.Ф. Тарасенко. Томск: ООО “СТТ”, 2015.
  8. Ivanov S.N. // Plasma Sources Sci. Technol. 2022. V. 31. P. 055001.https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac6693
  9. Frankel S., Highland V., Sloan T., Van Dyck O., Wales W. // Nucl. Instrum. Methods. 1966. V. 44. P. 345.
  10. Станкевич Ю.Л., Калинин Н.С. // ДАН СССР. 1967. Т. 177. С. 72.
  11. Noggle R.C., Kriger E.P., Wayland J.R. // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. P. 4746.
  12. Кремнев В.В., Курбатов Ю.А. // ЖТФ. 1972. Т. 42. С. 795.
  13. Тарасова Л.В., Худякова Л.Н., Лойко Т.В., Цукерман В.А. // ЖТФ. 1974. Т. 44. С. 564.
  14. Гуревич А.В. // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. С. 1296.
  15. Бабич Л.П., Станкевич Ю.Л. // ЖТФ. 1972. Т. 42. С. 1669.
  16. Станкевич Ю.Л. // ЖТФ. 1970. Т. 40. С. 1476.
  17. Павловский А.И., Бабич Л.П., Лойко Т.В., Тарасо-ва Л.В. // ДАН СССР. 1985. Т. 281. С. 1359.
  18. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.
  19. Bakhov K.I., Babich L.P., Kutsyk I.M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. P. 1254.https://doi.org/10.1109/27.893314
  20. Лисенков В.В., Иванов С.Н., Мамонтов Ю.И., Тихонов И.Н. // ЖТФ. 2018. Т. 88. С. 1912.https://doi.org/10.21883/JTF.2018.12.46798.68-18
  21. Иванов С.Н., Шарыпов К.А. // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. С. 102.
  22. Тарасенко В.Ф., Белоплотов Д.Ф., Ломаев М.И. // Физика плазмы. 2015. Т. 41. С. 902.https://doi.org/10.7868/S0367292115100091
  23. Yatom S., Shlapakovski A., Beilin L., Stambulchik E., Tskhai S. and Krasik Ya.E. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 064001.https://doi.org/10.1088/0963-0252/25/6/064001
  24. Burachenko A.G., Tarasenko V.F., Baksht E.K. // High Voltage. 2017. V. 2. P. 56.https://doi.org/10.1049/hve.2017.0016
  25. Tarasenko V.F., Baksht E.K., Beloplotov D.V., Burachenko A.G., Sorokin D.A., Lomaev M.I. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. P. 424001.https://doi.org/10.1088/1361-6463/aad8dc
  26. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004.
  27. Gurevich A.V., Milikh G.M., Roussel-Dupre R. // Phys. Lett. A. 1992. V. 165. P. 463.
  28. Gurevich A.V., Milikh G.M., Roussel-Dupre R. // Phys. Lett. A. 1994. V. 187. P. 197.https://doi.org/10.1016/0375-9601(94)90062-0
  29. Gurevich A.V., Zybin K.P. // Phys. Lett. A. 2004. V. 329. P. 341.https://doi.org/10.1016/j.physleta.2004.06.094
  30. Бабич Л.П., Бочков Е.И., Куцык И.М. // ЖЭТФ. 2011. Т. 139. С. 1028.
  31. Бабич Л.П., Бочков Е.И., Куцык И.М. // // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 99. С. 452.https://doi.org/10.7868/S0370274X14070066
  32. Ivanov S.N. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46. P. 285201.https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/28/285201
  33. Зубарев Н.М., Иванов С.Н. // Физика плазмы. 2018. Т. 44. С. 397.https://doi.org/10.7868/S0367292118040108
  34. Иванов С.Н., Шарыпов К.А. // ЖТФ. 2015. Т. 85. С. 64.
  35. Verboncoeur J.P., Langdon A.B., Gladd N.T. // Computer Physics Communications. 1995. V. 87. P. 199.
  36. Лисенков В.В., Шкляев В.А. // ЖТФ. 2014. Т. 84. С. 43.
  37. Lisenkov V.V., Shklyaev V.A. // Physics of Plasmas. 2015. V. 22. P. 113507. https://doi.org/10.1063/1.4935398
  38. Shklyaev V.A., Belomyttsev S.Ya., Ryzhov V.V. // J. Applied Phys. 2012. V. 112. P. 113303.https://doi.org/10.1063/1.4768912
  39. Иванов С.Н., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ялан-дин М.И. // ПТЭ. 2000. № 5. С. 51.
  40. Месяц Г.А., Яландин М.И., Реутова А.Г., Шары-пов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А. // Физика плазмы. 2012. Т. 38. № 1. С. 34.
  41. Naidis G.V., Tarasenko V.F., Babaeva N.Y. and Loma-ev M.I. // Plasma Sources Sci. Technol. 2018. V. 27. P. 013001.https://doi.org/10.1088/1361-6595/aaa072
  42. Дядьков А.Н., Иванов С.Н., Ульмаскулов М.Р. // ПТЭ. 1998. № 3. С. 69.
  43. Korolev Yu.D., Bykov N.M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2012. V. 40. P. 2443. https://doi.org/10.1109/TPS.2011.2178041
  44. Ефремов А.М., Ковальчук Б.М., Королев Ю.Д. // ЖТФ. 2012. Т. 82. С. 52.
  45. Мик Д., Крэгс Д. Электрический пробой в газах. М.: ИЛ., 1960.
  46. Иванов С.Н. // ДАН. 2004. Т. 399. С. 472.
  47. Иванов С.Н., Литвинов Е.А., Шпак В.Г. // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. С. 23.
  48. Королев Ю.Д., Быков Н.М., Иванов С.Н. // Физика плазмы. 2008. Т. 34. С. 1104.
  49. Иванов С.Н., Лисенков В.В., Шпак В.Г. // ЖТФ. 2008. Т. 78. С. 62.
  50. Иванов С.Н., Лисенков В.В. // ЖТФ. 2010. Т. 80. С. 54.
  51. Ivanov S.N., Lisenkov V.V., Shpak V.G. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. P. 315204.https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/31/315204
  52. Ivanov S.N., Shpak V.G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2011. V. 39. P. 2596.https://doi.org/10.1109/TPS.2011.2157173
  53. Ivanov S.N., Lisenkov V.V. // Journal of Applied Physics. 2018. V. 124. P. 103304.https://doi.org/10.1063/1.5024974
  54. Ivanov S.N., Lisenkov V.V., Mamontov Y.I. // Plasma Sources Sci. Technol. 2021. V. 30. P. 075021.https://doi.org/10.1088/1361-6595/abf31f
  55. Ivanov S.N., Shklyaev V.A., Grishkov A.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1115. P. 022038.https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/2/022038
  56. Иванов С.Н., Лисенков В.В. // Физика плазмы. 2018. Т. 44. С. 323.https://doi.org/10.7868/S0367292118030046
  57. Lisenkov V.V., Mamontov Y.I. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1141. P. 012051.https://doi.org/10.1088/1742-6596/1141/1/012051
  58. Kieffer L.J., Dunn G.H. // Rev. Modern Phys. 1966. V. 38. P. 1.
  59. Гашков М.А., Зубарев Н.М., Зубарева О.В., Месяц Г.А., Уйманов И.В. // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. С. 896.https://doi.org/10.7868/S0044451016040180
  60. Mesyats G.A., Zubarev N.M. // J. Applied Phys. 2015. V. 117. P. 043302.https://doi.org/10.1063/1.4906559
  61. Гашков М.А., Зубарев Н.М., Месяц Г.А., Уйманов И.В. // Письма ЖТФ. 2016. Т. 42. С. 48.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (76KB)
Indexing metadata
3.

Download (46KB)
Indexing metadata
4.

Download (144KB)
Indexing metadata
5.

Download (38KB)
Indexing metadata
6.

Download (241KB)
Indexing metadata
7.

Download (125KB)
Indexing metadata
8.

Download (86KB)
Indexing metadata
9.

Download (1MB)
Indexing metadata
10.

Download (138KB)
Indexing metadata
11.

Download (56KB)
Indexing metadata
12.

Download (29KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 С.Н. Иванов, В.В. Лисенков

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies