ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Кинетика радиального потока убегающих электронов в поперечном магнитном поле

Н.М. Зубарев1,2, Ю.И. Мамонтов1,2, М.И. Яландин1,2

1 Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург, Россия
2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.22 УДК 537.521.7 EDN ZJHXRT

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.

  • коаксиальная линия
  • субнаносекундный пробой
  • убегающие электроны
  • метод Монте-Карло
Abstract (in English)

Kinetics of the radial runaway electron flow in a transversal magnetic field

The work is devoted to a numerical study of runaway electron kinetics in atmospheric pressure nitrogen at the initial stage of radial breakdown in a coaxial transmission line with a wave impedance of 45 Ohm. The study was performed within the framework of the axisymmetric 2D-3V (two coordinates and three velocity components) Monte Carlo model. The problem statement considered the presence of a 0.3-mm-thickness disk-shaped electric field enhancer located at the inner conductor of the coaxial line. The enhancer protruded above the inner conductor of the line by 2.5 mm. The space area near the enhancer was considered to be a source of runaway electrons. In addition, the presence of a strong axial homogeneous magnetic field near the amplifier was taken into account. The magnetic field induction varied from 0.15 T to 2 T. The voltage between the line conductors was set in the range of 100-150 kV. Within the simulation, the motion of fast electrons in the coaxial gap was considered, taking into account their scattering on gas molecules and interaction with homogeneous magnetic and inhomogeneous electric fields. It was shown that, within the system under consideration, runaway electrons never reached the anode, i.e. the outer conductor of the coaxial line, if the magnetic field induction was greater than ~0.25 T. In turn, if the magnetic field induction was >0.5 T, the runaway electron radial drift was suppressed at all; however, there was an axial drift with a velocity of ~8 mm per 100 ps. Based on the simulation results, a qualitative description of three scenarios of the dielectric strength violation in magnetically insulated air-filled coaxial lines was proposed. The obtained results explain the results of recent experiments on the study of the coaxial air-filled duct breakdown.

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

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