Том 3 № 4 (2025): Промышленная кибернетика
DOI https://doi.org/10.18799/29495407/2025/4/108
Формирование протяженных пучково-плазменных образований в полом катоде с распылителями металлической плазмы
Проведено численное и экспериментальное исследование генерации плазмы в несамостоятельном режиме горения тлеющего разряда в протяженном полом катоде с генераторами металлической плазмы. Результаты численного моделирования отражают основные закономерности формирования газо-металлических пучково-плазменных образований, полученных в эксперименте. Установлено, что при работающих генераторах по сравнению с выключенными уменьшается продольная неоднородность распределения концентрации плазмы, а температура электронов увеличивается (с 0,9 до 3 эВ). Полученные результаты важны для дальнейших исследований генерации протяженных газо-металлических пучково-плазменных образований и для проектирования протяженных генераторов газо-металлических пучково-плазменных образований.
Ключевые слова:
компьютерное моделирование, несамостоятельный тлеющий разряд, полый катод, газо-металлическая плазма, пучково-плазменное образование, дрейфово-диффузионное приближение
Библиографические ссылки:
1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Thornton J.A. Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1974. – Vol. 11. – №. 4. – P. 666–670. DOI: 10.1116/1.1312732
2. Anders A. A structure zone diagram including plasma-based deposition and ion etching // Thin solid films. – 2010. – Vol. 518. – Iss. 15. – P. 4087–4090. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.10.145 EDN: NXFJLX
3. Gas pressure distribution in ion plasma deposition system / V.A. Volpyas, R.A. Platonov, V.V. Karzin, T.K. Legkova // Technical Physics Letters. – 2024. – Vol. 50. – № 2. – P. 70–72. DOI: 10.61011/TPL.2024.02.57990.19744
4. Синтез и структурные свойства преимущественно ориентированных пленок (Sr,Ba)Nb2O6 на поликоре / А.В. Тумаркин, А. Богдан, А.Р. Карамов, Е.Н. Сапего // Письма в Журнал технической физики. – 2025. – Т. 51. – № 7. – С. 50–54. DOI: 10.61011/PJTF.2025.07.60076.20185 EDN: QDCDME
5. Исследование структуры и свойств поверхности штамповой стали 4Х5МФС после азотирования в плазме несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом / Ю.А. Денисова, А.А. Леонов, В.В. Денисов, Е.В. Островерхов, А.П. Ласковнев, А.В. Басалай // Современные методы и технологии создания и обработки материалов. сборник научных трудов. – Минск: Государственное научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси", 2020. – С. 41–47. EDN: WKBVUV
6. Properties of intermetallic Ti-Al based coatings deposited on ultrafine grained martensitic steel / E.L. Vardanyan, K.N. Ramazanov, R.Sh. Nagimov, A.Yu. // Nazarov Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 389. – 125657. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125657 EDN: PWJHDQ
7. Strong amorphization of AlCrNiTiV high-entropy alloy films deposited by cofilter cathode vacuum arc deposition / S.N. Chen, W.Q. Yan, Y.M. Zhao, Q. Li, L. Chen, X. Ouyang, Q.S. Hua, X.Y. Wu, Y.F. Zhang, B. Liao, X.P. Ouyang // Applied Surface Science. – 2022. – Vol. 592. – 153318. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153318 EDN: CUZSNL
8. Korolev Y.D., Koval N.N. Low-pressure discharges with hollow cathode and hollow anode and their applications // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2018. – Vol. 51. – № 32. – 323001. DOI: 10.1088/1361-6463/aacf10 EDN: YCAXOX
9. Распределение тока по поверхности полого катода для тлеющего разряда низкого давления / Н.В. Ландль, Ю.Д. Королев, О.Б. Франц, В.Г. Гейман, Г.А. Аргунов, В.О. Нехорошев // Известия вузов. Физика. – 2021. – Т. 64. – № 7. – С. 3–9. DOI: 10.17223/00213411/64/7/3 EDN: KNLHNN
10. Метель А.С., Григорьев С.Н. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов: физика, техника, применения. – М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. – 394 с.
11. High-current stages in a low-pressure glow discharge with hollow cathode / Yu.D. Korolev, O.B. Frants, N.V. Landl, I.A. Shemyakin, V.G. Geyman // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2013. – Vol. 41. – Iss. 8. – P. 2087–2096. DOI: 10.1109/TPS.2013.2266675 EDN: RFRUWX
12. Метель А.С. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом // Журнал технической физики. – 1984. – Т. 54. – № 2. – С. 241–247. EDN: PYWCDD
13. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников / А.В. Визирь, Е.М. Окс, П.М. Щанин, Г.Ю. Юшков // Журнал технической физики. – 1997. – Т. 67. – № 6. – С. 27–31. EDN: RYMZGF
14. Nikulin S.P. Influence of the emission of charged particles on the characteristics of glow discharges with oscillating electrons // Russian physics journal. – 2001. – Vol. 44. – P. 969–976. DOI: 10.1023/A:1014314107391 EDN: LGLCIV
15. On the accuracy and limitations of fluid models of the cathode region of dc glow discharges / A. Derzsi, P. Hartmann, I. Korolov, J. Karacsony, G. Bánó, Z. Donkó // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2009. – Vol. 42. – № 22. – 225204. DOI: 10.1088/0022-3727/42/22/225204 EDN: MZZZWF
16. Parker G.J., Hitchon W.N.G., Lawler J.E. Self-consistent kinetic model of an entire DC discharge // Physics Letters A. – 1993. – Vol. 174. – Iss. 4. – P. 308–312. DOI: 10.1016/0375-9601(93)90144-O
17. Surendra M., Graves D.B., Jellu G.M. Self-consistent model of a direct-current glow discharge: Treatment of fast electrons // Physical Review A. – 1990. – Vol. 41. – № 2. – 1112. DOI: 10.1103/PhysRevA.41.1112
18. Boeuf J.P., Pitchford L.C. Pseudospark discharges via computer simulation // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2002. – Vol. 19. – Iss. 2. – P. 286–296.
19. Rafatov I., Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A. Account of nonlocal ionization by fast electrons in the fluid models of a direct current glow discharge // Physics of Plasmas. – 2012. – Vol. 19. – № 9. – 093503. DOI: 10.1063/1.4752419 EDN: RGJCCD
20. Nguyen Bao Hung, Koval T.V., Tran My Kim An. Mathematical modeling of discharge plasma generation and diffusion saturation of metals and alloys // Proceedings of the 2016 Conference on Information Technologies in Science, Management, Social Sphere and Medicine (ITSMSSM 2016) – Tomsk: SST, 2016. – P. 39–44. DOI: 10.2991/itsmssm-16.2016.93
21. Koval T.V., Denisov V.V., Ostroverkhov E.V. Computer simulation of high-current non-selfsustained glow discharge plasma in hollow cathode at low pressure // Russian Physics Journal. – 2023. – Vol. 66. – № 10. – P. 1114–1121. DOI: 10.1007/s11182-023-03051-7 EDN: RNVBPK
22. Comsol Multiphysics v. 6.2. URL: https://www.comsol.com/ (дата обращения: 13.10.2025).
23. Comsol Multiphysics, The Plasma Module User's Guide, Version 6.2. URL: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com.comsol.help.plasma/PlasmaModuleUsersGuide.pdf (дата обращения: 13.10.2025)
24. Alves L.L. The IST-LISBON database on LXCat // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – Vol. 565. – № 1. – 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/565/1/012007
REFERENCES
1. Thornton J.A. Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings. Journal of Vacuum Science and Technology, 1974, vol. 11, no. 4, pp. 666–670. DOI: 10.1116/1.1312732
2. Anders A. A structure zone diagram including plasma-based deposition and ion etching. Thin solid films, 2010, vol. 518, Iss. 15, pp. 4087–4090. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.10.145 EDN: NXFJLX
3. Volpyas V.A., Platonov R.A., Karzin V.V., Legkova T.K. Gas pressure distribution in ion plasma deposition system. Technical Physics Letters, 2024, vol. 50, no. 2, pp. 70–72. DOI: 10.61011/TPL.2024.02.57990.19744
4. Tumarkin A.V., Bogdan A.R., Karamov E.N. Sapego E.N. Synthesis and structural properties of predominantly oriented (Sr,Ba)Nb2O6 films on alumina substrate. Technical Physics Letters, 2025, vol. 51 (7), pp. 50–54. DOI: 10.61011/PJTF.2025.07.60076.20185 EDN: QDCDME
5. Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V., Ostroverkhov E.V., Laskovnev A.P., Basalai A.V. Study of the structure and properties of die steel 4cr5movsi surface after nitriding in non-self-sustained glow-discharge plasma with a hollow cathode. Modern methods and technologies for the creation and processing of materials. A collection of scientific papers. Minsk, State Scientific Institution "Physical and Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus" Publ., 2020. pp. 41–47. (In Russ.) EDN: WKBVUV
6. Vardanyan E.L., Ramazanov K.N., Nagimov R.Sh., Nazarov A.Yu. Properties of intermetallic Ti-Al based coatings deposited on ultrafine grained martensitic steel. Surface and Coatings Technology, 2020, vol. 389, 125657. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125657 EDN: PWJHDQ
7. Chen S.N., Yan W.Q., Zhao Y.M., Li Q., Chen L., Ouyang X., Hua Q.S., Wu X.Y., Zhang Y.F., Liao B., Ouyang X.P. Strong amorphization of AlCrNiTiV high-entropy alloy films deposited by cofilter cathode vacuum arc deposition. Applied Surface Science, 2022, vol. 592, 153318. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153318 EDN: CUZSNL
8. Korolev Y.D., Koval N.N. Low-pressure discharges with hollow cathode and hollow anode and their applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2018, vol. 51, no. 32, 323001. DOI: 10.1088/1361-6463/aacf10 EDN: YCAXOX
9. Landl N.V., Korolev Y.D., Frants O.B., Geyman V.G., Argunov G.A., Nekhoroshev V.O. Current distribution over the hollow-cathode surface for low-pressure glow discharge. Izvestiya vuzov. Fizika, 2021, no. 7, pp. 3–9. (In Russ.) DOI: 10.17223/00213411/64/7/3 EDN: KNLHNN
10. Metel A.S., Grigoriev S.N. Glow discharge with electrostatic electron retention: physics, technology, applications. Moscow, IC MSTU "Stankin" Publ., 2005. 394 p. (In Russ.)
11. Korolev Yu.D., Frants O.B., Landl N.V., Shemyakin I.A., Geyman V.G. High-current stages in a low-pressure glow discharge with hollow cathode. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, vol. 41, Iss. 8, pp. 2087–2096. DOI: 10.1109/TPS.2013.2266675 EDN: RFRUWX
12. Metel A.S. Increase of the working pressure range in a glow discharge with a hollow cathode. Soviet Physics: Technical Physics, 1984, vol. 29, no. 2, pp. 141–144. (In Russ.) EDN: PYWGHP
13. Vizir' A.V., Oks E.M., Shchanin P.M., Yushkov G.Yu. Non-self-sustained hollow-cathode glow discharge for large-aperture ion sources. Technical Physics, 1997, vol. 42, no. 6, pp. 611–614. (In Russ.) EDN: YQHBJE
14. Nikulin S.P. Influence of the emission of charged particles on the characteristics of glow discharges with oscillating electrons. Russian physics journal, 2001, vol. 44, pp. 969–976. DOI: 10.1023/A:1014314107391 EDN: LGLCIV
15. Derzsi A., Hartmann P., Korolov I., Karacsony J., Bánó G., Donkó Z. On the accuracy and limitations of fluid models of the cathode region of dc glow discharges. Journal of Physics D: Applied Physics, 2009, vol. 42, no. 22, 225204. DOI: 10.1088/0022-3727/42/22/225204 EDN: MZZZWF
16. Parker G.J., Hitchon W.N.G., Lawler J.E. Self-consistent kinetic model of an entire DC discharge. Physics Letters A, 1993, vol. 174, Iss. 4, pp. 308–312. DOI: https://doi.org/10.1016/0375-9601(93)90144-O
17. Surendra M., Graves D.B., Jellu G.M. Self-consistent model of a direct-current glow discharge: Treatment of fast electrons. Physical Review A, 1990, vol. 41, no. 2, 1112. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.41.1112
18. Boeuf J.P., Pitchford L.C. Pseudospark discharges via computer simulation. IEEE Transactions on Plasma Science, 2002, vol. 19, Iss. 2, pp. 286–296.
19. Rafatov I., Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A. Account of nonlocal ionization by fast electrons in the fluid models of a direct current glow discharge. Physics of Plasmas, 2012, vol. 19, no. 9, 093503. DOI: 10.1063/1.4752419 EDN: RGJCCD
20. Nguyen Bao Hung, Koval T.V., Tran My Kim An. Mathematical Modeling of Discharge Plasma Generation and Diffusion Saturation of Metals and Alloys. Proc. of the 2016 Conference on Information Technologies in Science, Management, Social Sphere and Medicine (ITSMSSM 2016). Tomsk, SST, 2016. pp. 39–44. DOI: https://doi.org/10.2991/itsmssm-16.2016.93
21. Koval T.V., Denisov V.V., Ostroverkhov E.V. Computer simulation of high-current non-selfsustained glow discharge plasma in hollow cathode at low pressure. Russian Physics Journal, 2023, vol. 66, no. 10, pp. 1114–1121. DOI: 10.1007/s11182-023-03051-7 EDN: RNVBPK
22. Comsol Multiphysics v. 6.2. Available at: https://www.comsol.com/ (accessed: 13 October 2025).
23. Comsol Multiphysics, The Plasma Module User's Guide, Version 6.2. Available at: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com. comsol.help.plasma/PlasmaModuleUsersGuide.pdf (accessed: 13 October 2025).
24. Alves L.L. The IST-LISBON database on LXCat. Journal of Physics: Conference Series, 2014, vol. 565, no. 1, 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/565/1/012007
