Физические механизмы электрического пробоя газонаполненного промежутка в условиях высокого перепада плотности плазмообразующей среды: от магнетронных распылительных систем до разрядов в космической аппаратуре.

Проект направлен на исследование механизмов зажигания и функционирования газовых электрических разрядов в условиях, когда в разрядном промежутке имеется высокий перепад давления (плотности) нейтрального газа. Такие разряды имеют место в ряде ситуаций: истечение газа в вакуум из малых отверстий; пространственно-неоднородные условия генерации плазмы в магнетронных распылительных системах; гигантские высотные атмосферные явления. Моделирования таких явлений требуют новых методов теоретического описания, допускающих плавный переход от столкновительных условий движения заряженных частиц (диффузия и дрейф) к бесстолкновительному свободному расширению плазмы во внешнем и собственном электрическом поле. Эти особенности требуют описания ансамблей заряженных частиц методом кинетических уравнений Больцмана для пространственно-неоднородных функций распределения частиц по скоростям, которые будут решаться современными численными методами. Сначала будет сформулирована и реализована гидродинамическая модель разряда. Предполагается рассмотреть двумерную задачу о пробое плоскопараллельного промежутка при наличии значительного перепада давления газа среднего давления (от единиц до десятков Тор) в пространстве. На следующем этапе предполагается сформулировать полностью кинетическую модель газового разряда, описывающую эволюцию функций распределения плазменных компонент с помощью системы уравнений Больцмана-Максвелла. Кинетическая задача для электронной компоненты плазмы будет включать несколько степеней свободы в фазовом пространстве: одну пространственную координату, нормальную к плоскости электродов, и две или три компоненты скорости. Дальнейшее развитие проекта предполагает включение магнитного поля в газоразрядном промежутке, это будет реализовано с помощью учета дополнительных членов в уравнение Больцмана в четырёхмерном фазовом пространстве. Введение магнитного поля приведет к изменению траекторий заряженных частиц, что в указанной физической постановке вызовет перераспределение функции плотности электронов. В качестве вычислительного инструмента будет использован новейший численный метод NuFI (Numerical Flow Iterations), который позволяет значительно сократить затраты оперативной памяти при решении уравнений Власова и Больцмана. Данный метод впервые будет использован для подобного рода задач. Ранее его использование ограничивалось модельными задачами решения уравнений Власова-Пуассона. С использованием метода NuFI будет реализована программа, численно описывающая пробой в плоскопараллельном промежутке с неоднородным давлением рабочего газа. Будет исследовано влияние градиента давления на пробой, определены условия развития разряда, получены функции распределения электронов, концентрации компонентов плазмы разряда.