2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge
2D electrostatic PIC code for simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge in the rectangular geometry is developed. Simulation results for discharge in helium are presented. It is shown that the area of the most intensive plasma heating eventually moves further from the injector. In...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Taras Shevchenko National University of Kyiv
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82116 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge / D.I. Dadyka, I.O. Anisimov // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 1. — С. 149-151. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859742025745694720 |
|---|---|
| author | Dadyka, D.I. Anisimov, I.O. |
| author_facet | Dadyka, D.I. Anisimov, I.O. |
| citation_txt | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge / D.I. Dadyka, I.O. Anisimov // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 1. — С. 149-151. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | 2D electrostatic PIC code for simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge in the rectangular geometry is developed. Simulation results for discharge in helium are presented. It is shown that the area of the most intensive plasma heating eventually moves further from the injector. In this area the intensive ionization takes place.
Рассматривается начальная стадия развития плазменно-пучкового разряда (ППР). Разработан программный код для двумерного электростатического моделирования с помощью метода крупных частиц в ячейках. Получены результаты моделирования начальной стадии ППР в гелии. Показано, что интенсивная ионизация нейтрального газа наблюдается в областях с сильным электрическим полем. Показано, что область максимального нагрева фоновой плазмы со временем смещается дальше от инжектора к коллектору.
Розглядається початкова стадія розвитку плазмово-пучкового розряду (ППР). Розроблено програмний код двовимірного електростатичного моделювання за допомогою методу крупних частинок у комірках. Наведено результати моделювання початкової стадії ППР у гелії. Показано, що інтенсивна іонізація нейтрального газу відбувається в тих областях, де присутнє високочастотне електричне поле. Показано, що область максимального розігріву фонової плазми з часом зсувається від інжектора до колектора.
|
| first_indexed | 2025-12-01T17:48:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95)1
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2015, № 1. Series: Plasma Physics (21), p. 149-151. 149
2D SIMULATION OF THE INITIAL STAGE OF THE BEAM-PLASMA
DISCHARGE
D.I. Dadyka, I.O. Anisimov
Taras Shevchenko National University of Kyiv, Ukraine
2D electrostatic PIC code for simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge in the rectangular
geometry is developed. Simulation results for discharge in helium are presented. It is shown that the area of the most
intensive plasma heating eventually moves further from the injector. In this area the intensive ionization takes place.
PACS: 52.35Fp, 52.40Mj, 52.50Gj, 52.65Rr, 52.80Tn
INTRODUCTION
Study of the beam-plasma discharge (BPD) is
interesting for the formation of dense plasmas for
technological applications [1], interpretation of artificial
beam-plasma experiments in the ionosphere etc.
Considering complexity of the processes accompanying
BPD in the real geometry, it is impossible to provide the
exact analytical description. Consequently computer
simulation can be used [2, 3]. The aim of this work is
simulation of the initial stage of the BPD in 2D
geometry.
1. SIMULATION PACKAGE
The electrostatic PIC code with the rectangular
geometry was used [4, 5]. Stripped electron beam was
injected into the rectangular volume filled with the
weakly ionized plasma. Electrons and ions were
absorbed on the borders. The neutral component was
considered as a continuous medium. The density of
neutral atoms was assumed to be constant during the
simulation. These assumptions are valid only for the
initial BPD stage until ionization level is low. The code
considered such elementary processes as elastic
collisions, electron impact excitation and ionization of
atoms (last two processes were taken into account
qualitatively). Dependence of the cross sections of
elementary processes on the electrons' energy that was
used in the simulation is illustrated by Fig. 1,
corresponding parameters are given in Table. 1.
Processes of recombination were not taken into account.
Fig. 1. Energy dependence of the elementary
processes' cross-sections
Equations of motion for the charged particles were
resolved by the finite differences' method, Poisson's
equation – by the Fourier transform method. Linear
weighting of the charge density was used to calculate
the spatial distribution of potential. Components of the
electric field in the grid were calculated by the potential
differentiation. To calculate the electric field for points
located between the grid nodes the linear weighing of
values in the grid nodes was used. For suppression of
the shortwave field components calculated inaccurately
the window filter was used [5].
To speed up the calculation parallel computing was
used. Typical calculation took several days.
Table 1. Parameters of elementary processes
Type of process s (10
-20
m
2
) E0 (eV) E1 (eV) E2 (eV)
Elastic collision 4 0 3 30
Excitation 0.043 19.7 20.5 21.5
Ionization 0.2 24.6 59 400
Table 2. Simulation parameters
Gas type Helium
Gas pressure р=1 Torr
Gas temperature Т=0.025 eV
Camera length L=1 m
Camera height L=0.5 m
Initial plasma density ne0=10
10
cm
-3
Plasma temperature Te0=1 eV
Debye length rD=0.01 cm
Langmuir oscillations period Tpe=1·10
-9
s
Beam current density jb=1000 A/m
2
Beam acceleration voltage Ua=5000 V
Number of cells along the length 16384
Number of cells along the width 8192
Simulation time step 1·10
-12
s
Beam electron’s transit time 2.4·10
-8
s
Simulation time 10
-7
s
2. SIMULATION PARAMETERS
Initially the gas was partially ionized. The ionization
level was ne0=10
10
сm
-3
. Debye length for such plasma
is rD=10
-2
сm. The interval of 1 m between electrodes is
divided into 16384 cells. Cell size is equal to
Δx=0.006 cm and is less than half Debye length.
The Langmuir oscillations period of this plasma is
Tpe=1·10
-9
s. Considering that particles should not move
150 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95)
more than 1 cell at one step, the simulation step was
taken to be Δt ≈ Δx/Vb≈10
-12
s.
3. SIMULATION RESULTS
During the simulation the spatial distribution of such
variables as potential, longitudinal and transversal
(relatively to the beam velocity) electric field, the beam
electron’s density (logarithmic scale), the density of
created ions (logarithmic scale), the energy density of
the electric field, the beam electrons' temperature and the
plasma electrons' temperature can be displayed and saved.
a
b
c
d
Fig. 2. The spatial distributions of the beam density (a);
beam electrons' energy (b); longitudinal (c) and
transversal (d) electric field
After the start of beam injection the periodic electric
field appears in plasma due to the beam-plasma
instability development (Figs. 2,c,d). The longitudinal
component of the electric field forms the regions of
beam electrons’ acceleration and deceleration (Fig. 2,b).
In the areas of acceleration the energy of the beam
electrons substantially exceeds their initial energy. The
transversal component of the electric field forms the
regions of radial focusing and defocusing (Fig. 2,a).
a
b
c
d
e
f
Fig. 3. The spatial distributions of the created ions'
density (b, d, f) and plasma electrons energy (a, c, e) for
the time points t = 1.5·10
-8
c (a, b); t = 3.5·10
-8
с (c, d)
and t = 7·10
-8
c (e, f)
Ionization of the neutral component is observed in
the areas where the plasma electrons have maximal
energy. This effect is illustrated by Fig. 3. Number of
the appeared ions is increasing over time because
recombination is not taken into account in the code. In
the first approximation the spatial distribution of the
created ions density appears as the time integral of the
spatial distribution of the plasma electrons’ energy.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95) 151
CONCLUSIONS
1. Electrons are accelerated in the areas of the beam
longitudinal and radial focusing due to the development
of the beam-plasma instability. The energy of the
accelerated electrons exceeds substantially their initial
energy.
2. In the first approximation the spatial distribution
of the charged particles produced in the discharge can
be treated as the time integral of the spatial distribution
of the energy of the background plasma electrons
counted from the ionization level.
3. Mainly longitudinal waves are excited by the
beam at the initial stage of simulation. Later the waves
with substantial transversal component of the wave
vector appear.
4. The background plasma becomes considerably
inhomogeneous due to the neutrals' ionization. The area
of the most intensive plasma heating eventually moves
further from the injector. In this area the intensive
ionization takes place.
REFERENCES
1. V.A. Tutyk. Study of the beam-plasma discharge
mode during the operation of electron gun using the gas
discharge // Probl. of Atomic Sci. and Techn. Series
“Plasma Electronics and New Acceleration Methods”.
2008, № 4, p. 184-188.
2. A.V. Arsenin, V.G. Leiman. Numerical simulation of
the beam-plasma discharge // All-Russian Sci. Conf. on
Low-Temperature Plasma Physics. Petrozavodsk. 2001,
v. 2, p. 44.
3. B.P. Kosarevych, M.J. Soloviova, I.O. Anisimov //
Initial stage of the beam-plasma discharging in helium:
simulation via PIC method // Probl. of Atomic Sci. and
Techn. Series “Plasma Physics”. 2013, № 1, p. 83.
4. C.K. Birdsall, A.B. Langdon. Plasma Physics via
Computer Simulation / McGraw-Hill book company.
1985.
5. D.I. Dadyka, I.O. Anisimov. Initial stage of beam-
plasma discharge: 2D simulation via PIC method //
Proc. XIV
th
Intern. Young Sci. Conf. on Applied Physics.
Kyiv, 2014, p. 186.
Article received 23.11.2014
ДВУХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПЛАЗМЕННО-ПУЧКОВОГО
РАЗРЯДА
Д.И. Дадыка, И.А. Анисимов
Рассматривается начальная стадия развития плазменно-пучкового разряда (ППР). Разработан
программный код для двумерного электростатического моделирования с помощью метода крупных частиц в
ячейках. Получены результаты моделирования начальной стадии ППР в гелии. Показано, что интенсивная
ионизация нейтрального газа наблюдается в областях с сильным электрическим полем. Показано, что
область максимального нагрева фоновой плазмы со временем смещается дальше от инжектора к коллектору.
ДВОВИМІРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПОЧАТКОВОЇ СТАДІЇ ПЛАЗМОВО-ПУЧКОВОГО РОЗРЯДУ
Д.І. Дадика, І.О. Анісімов
Розглядається початкова стадія розвитку плазмово-пучкового розряду (ППР). Розроблено програмний
код двовимірного електростатичного моделювання за допомогою методу крупних частинок у комірках.
Наведено результати моделювання початкової стадії ППР у гелії. Показано, що інтенсивна іонізація
нейтрального газу відбувається в тих областях, де присутнє високочастотне електричне поле. Показано, що
область максимального розігріву фонової плазми з часом зсувається від інжектора до колектора.
http://www.amazon.com/exec/obidos/search-handle-url/ref=ntt_athr_dp_sr_1?%5Fencoding=UTF8&search-type=ss&index=books&field-author=C.K.%20Birdsall
http://www.amazon.com/exec/obidos/search-handle-url/ref=ntt_athr_dp_sr_2?%5Fencoding=UTF8&search-type=ss&index=books&field-author=A.B%20Langdon
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-82116 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-01T17:48:53Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Taras Shevchenko National University of Kyiv |
| record_format | dspace |
| spelling | Dadyka, D.I. Anisimov, I.O. 2015-05-25T09:54:16Z 2015-05-25T09:54:16Z 2015 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge / D.I. Dadyka, I.O. Anisimov // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 1. — С. 149-151. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.35Fp, 52.40Mj, 52.50Gj, 52.65Rr, 52.80Tn https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82116 2D electrostatic PIC code for simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge in the rectangular geometry is developed. Simulation results for discharge in helium are presented. It is shown that the area of the most intensive plasma heating eventually moves further from the injector. In this area the intensive ionization takes place. Рассматривается начальная стадия развития плазменно-пучкового разряда (ППР). Разработан программный код для двумерного электростатического моделирования с помощью метода крупных частиц в ячейках. Получены результаты моделирования начальной стадии ППР в гелии. Показано, что интенсивная ионизация нейтрального газа наблюдается в областях с сильным электрическим полем. Показано, что область максимального нагрева фоновой плазмы со временем смещается дальше от инжектора к коллектору. Розглядається початкова стадія розвитку плазмово-пучкового розряду (ППР). Розроблено програмний код двовимірного електростатичного моделювання за допомогою методу крупних частинок у комірках. Наведено результати моделювання початкової стадії ППР у гелії. Показано, що інтенсивна іонізація нейтрального газу відбувається в тих областях, де присутнє високочастотне електричне поле. Показано, що область максимального розігріву фонової плазми з часом зсувається від інжектора до колектора. en Taras Shevchenko National University of Kyiv Вопросы атомной науки и техники Плазменная электроника 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge Двухмерное моделирование начальной стадии плазменно-пучкового разряда Двовимірне моделювання початкової стадії плазмово-пучкового розряду Article published earlier |
| spellingShingle | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge Dadyka, D.I. Anisimov, I.O. Плазменная электроника |
| title | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge |
| title_alt | Двухмерное моделирование начальной стадии плазменно-пучкового разряда Двовимірне моделювання початкової стадії плазмово-пучкового розряду |
| title_full | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge |
| title_fullStr | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge |
| title_full_unstemmed | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge |
| title_short | 2D simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge |
| title_sort | 2d simulation of the initial stage of the beam-plasma discharge |
| topic | Плазменная электроника |
| topic_facet | Плазменная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82116 |
| work_keys_str_mv | AT dadykadi 2dsimulationoftheinitialstageofthebeamplasmadischarge AT anisimovio 2dsimulationoftheinitialstageofthebeamplasmadischarge AT dadykadi dvuhmernoemodelirovanienačalʹnoistadiiplazmennopučkovogorazrâda AT anisimovio dvuhmernoemodelirovanienačalʹnoistadiiplazmennopučkovogorazrâda AT dadykadi dvovimírnemodelûvannâpočatkovoístadííplazmovopučkovogorozrâdu AT anisimovio dvovimírnemodelûvannâpočatkovoístadííplazmovopučkovogorozrâdu |