[論文レビュー] Investigation of positive streamers in CO$_2$: experiments and 3D particle-in-cell simulations

Xiaoran Li, Dijcks, Siebe+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、モンテカルロ衝突を用いた2次元粒子-場（PIC）シミュレーションを用い、CO₂における光電離が、低イオン化光子生成と短い吸収長のため弱いにもかかわらず、正のストリーマの持続的進行を可能にするかを調査した。結果として、最小限の光電離でさえも、破壊閾値に近い高い電界下では自己持続的ストリーマ成長を可能にするが、その条件は限られる。また、光電離フィードバックに基づく自己持続的成長の基準が提唱された。

ABSTRACT

We investigate the propagation of positive streamers in CO$_2$ through 3D particle-in-cell simulations, which are qualitatively compared against experimental results at 50 mbar. The experiments show that CO$_2$ streamers are much more stochastic than air streamers at the same applied voltage, indicating that few electrons are available in front of the streamer head. In the simulations, we include a photoionization model for CO$_2$. The computational results show that even a small amount of photoionization can sustain positive streamer propagation, but this requires a background electric field close to the critical field. When we compare streamers in CO$_2$ and in air at the same applied voltage, the electric field at the streamer head and the electron density in the streamer channel are higher in CO$_2$. We discuss the uncertainties in CO$_2$ photoionization and provide an estimate for the quenching pressure, which is based on the radiative lifetime of emitting states and the collision frequency of the gas. Furthermore, a criterion for self-sustained streamer growth in CO$_2$ is presented and compared against simulation results.

研究の動機と目的

• CO₂は低イオン化光子生成と短い吸収長のため、光電離が弱いにもかかわらず、光電離が正のストリーマの進行を維持できるかどうかを特定すること。
• 光電離が無視できるとされた前向きの流体シミュレーションとは対照的に、実験的観察と矛盾する点を解消すること。
• CO₂における光電離フィードバックに基づく自己持続的ストリーマ成長基準を開発すること。
• 2次元直交座標系の幾何配置が、3次元と比較して電界強化およびストリーマダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 光電離パラメータの不確実性がストリーマ伝播に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 計算コストを低減するために、適応メッシュリファインメントとスーパーパarticleを用いたafivo-picコードを用いた2次元粒子-場（PIC-MCC）シミュレーションを実施した。
• 電子を粒子として追跡し、イオンを固定密度として扱った。電子-中性粒子断面積はLXCatデータベースから取得し、非弾性寄与を差し引いて弾性断面積を導出した。
• 光電離はPrzybylski [18]およびTeich [33]の実験データを用い、ストリーマ先端から発生するイオン化光子が吸収長に基づいて吸収されるように組み込んだ。
• z方向に周期的境界条件を適用した2次元直交座標系を用い、Lz = 1 mmとして粒子ノイズを制御し、3次元に類似した平均化を再現した。
• 初期光電離1回の平均で、少なくとも1回の追加光電離が生じるという条件に基づく自己持続的成長基準を適用した。
• 背景電界と印加電圧（28.8–31.2 kV）を変化させ、発火および伝播閾値を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO₂は低イオン化光子生成と短い吸収長のため、光電離が弱いにもかかわらず、光電離が正のストリーマ伝播を維持できるか？
• RQ2 光電離による自己持続的ストリーマ成長に必要な最小電界は何か？
• RQ3 2次元直交座標系のシミュレーション幾何が、3次元と比較して電界強化およびストリーマダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ4 粒子ノイズ（Lzで制御）がストリーマの形状および電子密度分布に与える影響は何か？
• RQ5 光電離パラメータの不確実性がストリーマシミュレーション結果の信頼性に与える影響は何か？

主な発見

• CO₂における光電離は、空気よりも著しく弱いが、ストリーマ先端付近の電界が十分に高い場合には、正のストリーマ伝播を維持するのに十分である。
• 自己持続的ストリーマ成長は、背景電界が破壊閾値に非常に近い場合（E_bg ≈ 1.95 kV/mm）にのみ発生し、これはストリーマ先端でE_max ≈ 22 kV/mmに相当する。
• 初期光電離1回あたり、少なくとも1回の追加光電離が生じる必要があるという自己持続的成長基準は、信頼性の高い予測因子であり、実際の電界条件下でN_sp = 13.5を示した。
• 2次元直交座標系では、3次元に比べて電界強化が弱く、これがシミュレーションでストリーマ伝播が破壊電界付近でのみ観察される理由を説明できる可能性がある。
• Lzを小さくすると（例：0.1 mm）、より不規則で細いストリーマチャネルが形成され、電子密度が高くなるため、低光電離ガスで観察されるような確率的・分岐的成長パターンに類似していると考えられる。
• シミュレーション結果は、実験的観察と整合しており、正のストリーマがCO₂中でギャップを通過するのは、背景電界が破壊電界に近い場合に限られるという事実を裏付けている。