ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11
Текст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.22
УДК: 537.521.7; 537.523.2
17-я Международная конференция
«Газоразрядная плазма и ее применения»
Екатеринбург, Россия, 8-12 сентября 2025
Кинетика радиального потока убегающих электронов
Н.М. Зубарев 1,2, Ю.И. Мамонтов 1, М.И. Яландин 1,2
1 Институт электрофизики УрО РАН, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 53
Статья поступила в редакцию 2 октября 2025 г.
Аннотация. Работа посвящена численному исследованию кинетики убегающих электронов в азоте при давлении 1 атм на начальном этапе радиального пробоя коаксиальной передающей линии с волновым сопротивлением 45 Ом. Исследование выполнено в рамках кинетической осесимметричной 2D-3V (две координаты – три компоненты скорости) модели Монте-Карло. При моделировании учитывалось, что на внутреннем проводнике коаксиальной линии располагался дисковый усилитель электрического поля толщиной 0,3 мм, выступающий над внутренним проводником линии на 2,5 мм. Область вблизи усилителя поля рассматривалась как источник убегающих электронов. Кроме того, учитывалось наличие сильного аксиального однородного магнитного поля вблизи усилителя. Индукция магнитного поля при моделировании варьировалась от 0,15 Тл до 2 Тл. Напряжение между проводниками линии задавалось в диапазоне 100-150 кВ. При моделировании рассматривалось движение убегающих электронов в коаксиальном промежутке с учетом их рассеяния на молекулах газа и взаимодействия с однородным магнитным и неоднородным электрическим полями. Показано, что убегающие электроны в рассматриваемой системе никогда не достигают анода – внешнего проводника коаксиальной линии – при индукции магнитного поля выше ~0,25 Тл. При повышении индукции магнитного поля выше 0,5 Тл радиальный дрейф убегающих электронов фактически прекращается, однако имеет место аксиальный дрейф со скоростью ~8 мм за 100 пс. На основании результатов моделирования предложено качественное описание трех различных сценариев нарушения электрической прочности магнитоизолированных воздухонаполненных коаксиальных трактов. Полученные результаты качественно объясняют результаты недавних экспериментов по пробою таких трактов.
Ключевые слова: коаксиальная линия, субнаносекундный пробой, убегающие электроны, метод Монте-Карло.
Финансирование: Исследование выполнено за счет Российского научного фонда, грант № 23-19-00053, https://rscf.ru/project/23- 19-00053/.
Автор для переписки: Мамонтов Юрий Игоревич, mamontov@iep.uran.ru
Литература
1. Babich L.P. High-energy phenomena in electric discharges in dense gases: Theory, experiment, and natural phenomena. – Futurepast Incorporated, 2003.
2. Zubarev N.M. et al. Mechanism and dynamics of picosecond radial breakdown of a gas-filled coaxial line. // Plasma Sources Science and Technology. – 2020. – V. 29. – № 12. – P. 125008. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abc414
3. Mesyats G.A. et al. Subnanosecond breakdown of air-insulated coaxial line initiated by runaway electrons in the presence of a strong axial magnetic field. // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. – 2021. – V. 2064. – P. 012003. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012003
4. Birdsall C.K., Langdon A.B. Plasma physics via computer simulation. – CRC press, 2018. – 504 p. https://doi.org/10.1201/9781315275048
5. Lin S.L., Bardsley J.N. The null-event method in computer simulation. // Computer Physics Communications. – 1978. – V. 15. – № 3-4. – P. 161-163. https://doi.org/10.1016/0010-4655(78)90090-5
6. Itikawa Y. Cross sections for electron collisions with nitrogen molecules. // Journal of physical and chemical reference data. – 2006. – V. 35. – № 1. – P. 31-53. https://doi.org/10.1063/1.1937426
7. Shyn T.W., Stolarski R.S., Carignan G.R. Angular distribution of electrons elastically scattered from N 2 // Physical Review A. – 1972. – V. 6. – № 3. – P. 1002. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.6.1002
8. DuBois R.D., Rudd M.E. Differential cross sections for elastic scattering of electrons from argon, neon, nitrogen and carbon monoxide. // Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics. – 1976. – V. 9. – № 15. – P. 2657. https://doi.org/10.1088/0022-3700/9/15/016
9. Phelps A.V., Pitchford L.C. Anisotropic scattering of electrons by N 2 and its effect on electron transport. // Physical Review A. – 1985. – V. 31. – № 5. – P. 2932. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.31.2932
10. Opal C.B., Peterson W.K., Beaty E.C. Measurements of secondary-electron spectra produced by electron impact ionization of a number of simple gases. // J. Chem. Phys. – 1971. – V. 55. – P. 4100-4106. https://doi.org/10.1063/1.1676707
11. Mamontov Y.I., Zubarev N.M., Uimanov I.V. Anisotropy of the runaway electron generation process in strongly inhomogeneous electric fields. // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2021. – V. 49. – № 9. – P. 2589-2598. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3082693
12. Mamontov Y.I., Yalandin M.I., Zubarev N.M. Simulation of runaway electron kinetics in magnetized gas diodes with a strongly inhomogeneous electric field. // Physics of Plasmas. – 2025. – V. 32. – № 5. – P. 053502. https://doi.org/10.1063/5.0273887
13. Mesyats G.A. et al. How short is the runaway electron flow in an air electrode gap? // Applied Physics Letters. – 2020. – V. 116. – № 6. – P. 063501. https://doi.org/10.1063/1.5143486
14. Mamontov Y.I., Lisenkov V.V. Features of the electron avalanche formation process in a strongly inhomogeneous electric field under high overvoltages. // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. – 2021. – V. 2064. – № 1. – P. 012020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012020
15. Shklyaev V.A., Belomyttsev S.Y., Ryzhov V.V. Simulation of the formation of a runaway electron beam in an overvolted gas gap breakdown. // Journal of Applied Physics. – 2012. – V. 112. – № 11. – P. 113303. https://doi.org/10.1063/1.4768912
16. Tarasenko V. Runaway electrons in diffuse gas discharges. // Plasma Sources Science and Technology. – 2020. – V. 29. – № 3. – P. 034001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab5c57
17. Ivanov S.N., Lisenkov V.V., Mamontov Y.I. Streak investigations of the dynamics of subnanosecond discharge developing in nitrogen at a pressure of 6 atm with the participation of runaway electrons. // Plasma Sources Science and Technology. – 2021. – V. 30. – № 7. – P. 075021. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abf31f
18. Mesyats G.A., Yalandin M.I. Nanosecond volume discharge in air initiated by a picosecond runaway electron beam. // Physics-Uspekhi. – 2019. – V. 62. – № 7. – P. 699. https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.06.038354
Для цитирования:
Зубарев Н.М., Мамонтов Ю.И., Яландин М.И. Кинетика радиального потока убегающих электронов в поперечном магнитном поле. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.22