[논문 리뷰] Investigation of positive streamers in CO$_2$: experiments and 3D particle-in-cell simulations

Xiaoran Li, Dijcks, Siebe외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 04.

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 몬테카를로 충돌을 동반한 2차원 입자-격자(PI) 시뮬레이션을 사용하여, 낮은 이온화 광자 생산과 짧은 흡수 길이로 인해 약한 이온화 성질을 지닌 CO₂에서 광이온화가 양성 스트리머 전파를 유지를 할 수 있는지 조사한다. 결과적으로, 최소한의 광이온화가 고전기장 조건에서 자가유지 가능한 스트리머 성장을 가능하게 하며, 이는 붕괴 임계값 근처의 높은 전기장에서만 발생한다. 또한 광이온화 피드백 기반의 자가유지 조건이 제안된다.

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.

연구 동기 및 목표

• CO₂는 이온화 광자 수확률이 낮고 흡수 길이가 짧아 광이온화가 약한 가스이지만, 광이온화가 양성 스트리머 전파를 유지할 수 있는지 규명하는 것.
• 이론적 유체 시뮬레이션과 실험 관측 간의 괴리, 즉 광이온화가 무시 가능할 정도로 낮은 CO₂에서 스트리머가 더 빠르게 전파된다는 점을 설명하는 것.
• CO₂에서 광이온화 피드백 기반의 자가유지 스트리머 성장 조건을 수립하는 것.
• 2D 카르테시안 기하구조가 3D와 비교해 스트리머 역학과 전기장 강화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 광이온화 매개변수의 불확실성과 그가 스트리머 전파에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 계산 비용을 줄이기 위해 적응 메쉬 정밀도와 슈퍼 입자를 사용한 afivo-pic 코드를 활용한 2D 입자-격자(PIC-MCC) 시뮬레이션을 실시.
• 전자들을 입자로 추적하고 이온들은 정지 밀도로 처리. 전자-중성자 상호작용 단면적은 LXCat 데이터베이스에서 확보하였으며, 탄성 단면적은 비탄성 기여를 뺀 것으로 유도.
• Przybylski [18] 및 Teich [33]의 실험 데이터를 활용해 광이온화를 통합. 이온화 광자는 스트리머 머리에서 방출되며, 흡수 길이에 따라 흡수됨.
• z축 방향으로 주기적 경계 조건을 적용한 2D 카르테시안 기하구조를 사용. 입자 노이즈 제어 및 3D 유사 평균화를 위해 Lz = 1 mm로 설정.
• 초기 광이온화 사건이 평균적으로 최소 한 개 이상의 추가 광이온화 사건을 유도할 수 있어야 하는 조건을 기반으로 자가유지 성장 기준을 적용.
• 시작 및 전파 임계값을 연구하기 위해 배경 전기장과 전압(28.8–31.2 kV)을 변화시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO₂는 이온화 광자 생산이 약하고 흡수 길이가 짧기 때문에 광이온화가 양성 스트리머 전파를 유지할 수 있는가?
• RQ2 광이온화에 의해 자가유지 가능한 스트리머 성장을 위한 최소 전기장 강도는 얼마인가?
• RQ3 2D 카르테시안 시뮬레이션 기하구조는 3D와 비교해 전기장 강화와 스트리머 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 입자 노이즈(입력 Lz로 제어)는 스트리머 형태와 전자 밀도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 광이온화 매개변수의 불확실성은 스트리머 시뮬레이션 결과의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CO₂에서는 공기보다 광이온화가 현저히 약하지만, 스트리머 머리 근처의 전기장이 충분히 높을 경우 자가유지 가능한 양성 스트리머 전파가 가능하다.
• 자기유지 스트리머 성장은 배경 전기장이 붕괴 임계값에 매우 가까운 조건(E_bg ≈ 1.95 kV/mm)에서만 발생하며, 이는 스트리머 머리에서 E_max ≈ 22 kV/mm에 해당한다.
• 초기 사건당 최소 한 개 이상의 추가 광이온화가 발생해야 하는 자가유지 성장 기준은 신뢰할 수 있는 예측 도구로 확인되었으며, 현실적인 전기장 조건에서 N_sp = 13.5를 도출하였다.
• 2D 카르테시안 기하구조는 3D보다 전기장 강화가 약하다. 이는 시뮬레이션에서 스트리머 전파가 붕괴 전기장 근처에서만 관찰되는 이유를 설명할 수 있다.
• Lz 값을 작게(예: 0.1 mm) 설정할 경우, 더 불규칙하고 얇은 스트리머 채널이 형성되며 전자 밀도가 높아지며, 낮은 광이온화 가스에서 관찰되는 확률적이고 가지치기 형태의 성장 패턴과 유사한 경향을 보였다.
• 시뮬레이션 결과는 실험 관측과 일치하며, 양성 스트리머가 배경 전기장이 붕괴 임계값 근처일 때에만 간격을 횡단하는 것으로 확인되었다. 이는 2D 기하구조의 제약에도 불구하고 성립한다.