[論文レビュー] Gasdynamic Diode: How to Stop 100-kV Streamer

N. L. Aleksandrov|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、衝撃波を介した中性ガス密度の不連続性を利用することで、100-kVのストリーマを遮断するガスダイナミクス的ダイオード機構を提案する。2次元数値シミュレーションを用いて、密度比が1.2を超えるとストリーマが高密度領域に到達できず、代わりに界面に沿って伝播することを示し、一時的プラズマ放電における一方向伝導性を実証した。

ABSTRACT

The conditions were found when the gaseous medium demonstrates a unidirectional conductivity on a short time scale; a gas density discontinuity forms a kind of gas-dynamic diode that allows the plasma channel to propagate in one direction and blocks its development in another. The results of a two-dimensional numerical simulation of a streamer discharge developing through a shock wave in air were presented for various neutral density discontinuities across the wave. The focus was on the case when the streamer propagated from a low density region to a high-density region. Streamer characteristics changed greatly after intersecting the shock wave. It was shown that the streamer failed to penetrate into the high-density region when the ratio between the densities in these regions was sufficiently high (> 1.2). In this case, the discharge developed along the surface between these regions after reaching the boundary between them. Streamers could penetrate into any of the high-density and low-density regions when a neutral particle density discontinuity was replaced by a gradual density change.

研究の動機と目的

• 短時間スケールにおける気体媒質が一方向伝導性を示す条件を調査すること。
• 衝撃波が引き起こす中性密度不連続性が、空気中でのストリーマ放電伝播に与える影響を理解すること。
• ストリーマが高密度領域に到達するのを遮断する臨界密度比を特定すること。
• 急激な変化から段階的変化への移行と、そのストリーマ行動に与える影響を調査すること。

提案手法

• 空気中を通過するストリーマ放電の発展を2次元数値シミュレーションで行う。
• 衝撃波によって形成される明確な中性密度不連続性を介したストリーマダイナミクスをモデル化する。
• 低密度領域と高密度領域間の密度比を変化させ、ストリーマ伝播に与える影響を評価する。
• ストリーマの速度、形状、伝播方向といった特性を、衝撃波を越えた後に分析する。
• 急激な密度不連続性と段階的密度遷移の結果を比較する。
• プラズマチャネルの進化を追跡し、遮断または横方向伝播の挙動を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝撃波によって生じるストリーマ放電におけるガスダイナミクス的ダイオード効果が発現する条件は何か？
• RQ2 ストリーマが高密度領域に到達できなくなる臨界密度比は何か？
• RQ3 密度不連続性が段階的変化に置き換わった場合、ストリーマの挙動はどのように変化するか？
• RQ4 ストリーマが高密度領域に伝播するか、遮断されて界面に沿って再方向を変えるかを決定づける要因は何か？
• RQ5 衝撃波は、プラズマチャネルの一方向伝導性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 低密度領域と高密度領域間の密度比が1.2を超えると、ストリーマは高密度領域に到達できなくなる。
• 到達後、ストリーマは高密度領域に浸透するのではなく、低密度領域と高密度領域の界面に沿って伝播する。
• 密度不連続性への非対称的応答により、ストリーマ放電は一方向伝導性を示す。
• 密度不連続性が段階的変化に置き換わると、遮断効果は消失し、ストリーマは両方向に浸透可能になる。
• ストリーマの特性、特に速度と形状は、衝撃波を越えた後で顕著に変化する。
• ガスダイナミクス的ダイオード機構により、一方方向への制御されたプラズマチャネル発展が可能になり、反対方向への遮断も達成される。