On Refining the Criterion for a Single Avalanche-tо-Streamer Transition in Air in Strong Uniform Electric Fields
Keywords:
electric discharge in air, electron avalanche, avalanche-streamer transition, avalanche-streamer transition criterion, mathematical modeling
Abstract
The article presents the results from mathematical modeling of avalanche-to-streamer transitions in an air discharge gap. The electric field is uniform with the strength E0=50--70 kV/cm, and the atmospheric conditions are standard. The consideration is limited to single avalanche-to-streamer (SATS) transitions. The moment of time corresponding to the plasma streamer channel incipience is taken as the transition moment. As a result of the SATS transition, a two-headed streamer is generated. First, its negative anode-directed head is formed from the avalanche. After that, its positive cathode-directed head emerges from the avalanche track. Behind it, the field strength decreases to a critical value at which effective impact ionization is impossible. The streamer plasma channel occurs earlier, in the negative head incipience process. When it appears, effective ionization still continues between the avalanche and its track. The critical number of electrons in the avalanche, which is determined by the time the channel appears, depends weakly on the E0 value if the avalanche-streamer transition occurs far from the electrodes. In this case, it is about 30 million. If the transition occurs near the electrodes, this number lies in the range from 40 to 50 million particles.
References
1. Бортник И.М. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений. М: Изд-во МЭИ, 2018.
2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.
3. Helling Ch., Jardine M., Witte S., Diver D.A. Ionization in Atmospheres of Brown Dwarfs and Extrasolar Planets. I. The Role of Electron Avalanche // Astrophysical J. 2011. V. 727. No. 4. Pp. 1—6.
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2009.
5. Nijdam S. e. a. Probing Photoionization: Experiments on Positive Streamers in Pure Gases and Mixtures // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. No. 14. P. 145204—145300.
6. Ламажапов Х.Д., Рыбаков Д.А. Влияние неоднородностей на продвижение стримеров // Вестник НГУ. Серия: «Физика». 2010. Т. 5. Вып. 1. С. 29—36.
7. Савельева Л.А., Самусенко А.В., Стишков Ю.К. Причины ветвления положительного стримера в неоднородном поле // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 49. № 2. С. 36—47.
8. Куффель Е., Цаенгель В., Куффель Дж. Техника и электрофизика высоких напряжений. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2011.
9. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. М.: Мир, 1968.
10. Meek J. A Theory of Spark Discharge // Phys. Rev. 1940. V. 57. Pp. 722—728.
11. Papageorgiou L., Metaxas A.C., Georghiou G.E. Three-dimensional Numerical Modelling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V .44. Pp. 045203—045222.
12. Oreshkin E.V., Barengolts S.A., Oreshkin V.I., Mesyats G.A. Parameters of a Runaway Electron Avalanche // Physics of Plasmas. 2017. V. 24. P. 103505.
13. Марченко М.А. Эффективное использование многоядерных сопроцессоров при суперкомпьютерном статистическом моделировании электронных лавин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Вычислительная математика и информатика». 2013. Т. 2. № 4. С. 80—93.
14. Rabie M., Franck C.M. A Study of the Avalanche-to-streamer Transition in Arbitrary Gases by Particle Simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. V. 49. P. 175202.
15. Montijn C., Ebert U. Diffusion Correction to the Raether-Meek Criterion for the Avalanche-to-streamer transition // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. Pp. 2979—2992.
16. Стишков Ю.К., Самусенко А.В. Особенности распространения электронных лавин в неоднородных электрических полях // Вестник Санкт-Петербургского ун-та. 2009. Сер. 4. Вып. 3. С. 36—44.
17. Белогловский А.А. Сопоставление критериев лавинно-стримерного перехода при численном моделировании электронной лавины в воздушном промежутке с сильным электрическим полем // Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования): Материалы XXIII Всерос. конф. М.: ИНФРА-М, 2015. С. 54—61.
18. Белогловский А.А., Ильина Ю.Г. Численный расчёт критических параметров электронной лавины в воздухе // Фёдоровские чтения — 2015: Материалы XLV Междунар. науч.-практ. конф. с элементами научной школы. М.: Издат. дом МЭИ, 2015. С. 166—170.
19. Галимова А.В., Белогловский А.А. Расчёт и анализ электронных лавин и лавинно-стримерных переходов в сильном электрическом поле // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докл. XXIV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Центр полиграфических услуг «Радуга», 2018. С. 1109.
20. Белогловский А.А. Верещагин И.П. Трёхмерное математическое моделирование стримерного разряда в воздухе с учётом ветвления: экономичный расчёт электрического поля // Электричество. 2011. № 11. С. 17—24.
---
Для цитирования: Белогловский А.А. Об уточнении критерия однолавинно-стримерного перехода в воздухе в сильных однородных электрических полях // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 29—38. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-29-38.
#
1. Bortnik I.M. i dr. Elektrofizicheskie Osnovy Tekhniki Vysokikh Napryazheniy. M: Izd-vo MEI, 2018. (in Russian).
2. Bazelyan E.M., Rayzer Yu.P. Fizika Molnii i Molniezashchity. M.: Fizmatlit, 2001. (in Russian).
3. Helling Ch., Jardine M., Witte S., Diver D.A. Ionization in Atmospheres of Brown Dwarfs and Extrasolar Planets. I. The Role of Electron Avalanche. Astrophysical J. 2011;727;4:1—6.
4. Rayzer Yu.P. Fizika Gazovogo Razryada. Dolgo-prudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2009. (in Russian).
5. Nijdam S. e. a. Probing Photoionization: Experiments on Positive Streamers in Pure Gases and Mixtures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010;43;14:145204—145300.
6. Lamazhapov Kh.D., Rybakov D.A. Vliyanie Neodnorodnostey na Prodvizhenie Strimerov. Vestnik NGU. Seriya: «Fizika». 2010;5;1:29—36. (in Russian).
7. Savel'eva L.A., Samusenko A.V., Stishkov Yu.K. Prichiny Vetvleniya Polozhitel'nogo Strimera v Neodnorodnom Pole. Elektronnaya Obrabotka Materialov. 2013;49;2:36—47. (in Russian).
8. Kuffel' E., Tsaengel' V., Kuffel' Dzh. Tekhnika i Elektrofizika Vysokikh Napryazheniy. Dolgoprudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2011. (in Russian).
9. Reter G. Elektronnye Laviny i Proboy v Gazakh. M.: Mir, 1968. (in Russian).
10. Meek J. A Theory of Spark Discharge. Phys. Rev. 1940;57:722—728.
11. Papageorgiou L., Metaxas A.C., Georghiou G.E. Three-dimensional Numerical Modelling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44:045203—045222.
12. Oreshkin E.V., Barengolts S.A., Oreshkin V.I., Mesyats G.A. Parameters of a Runaway Electron Avalanche. Physics of Plasmas. 2017;24:103505.
13. Marchenko M.A. Effektivnoe Ispol'zovanie Mnogoyadernykh Soprotsessorov pri Superkomp'yuternom Statisticheskom Modelirovanii Elektronnykh Lavin. Vestnik YUUrGU. Seriya «Vychislitel'naya Matematika i Informatika». 2013;2;4:80—93. (in Russian).
14. Rabie M., Franck C.M. A Study of the Avalanche-to-streamer Transition in Arbitrary Gases by Particle Simulation. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016;49:175202.
15. Montijn C., Ebert U. Diffusion Correction to the Raether-Meek Criterion for the Avalanche-to-streamer transition. J. Phys. D: Appl. Phys. 2006;39:2979—2992.
16. Stishkov Yu.K., Samusenko A.V. Osobennosti Rasprostraneniya Elektronnykh Lavin v Neodnorodnykh Elektricheskikh Polyakh. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Un-ta. 2009;4;3:36—44. (in Russian).
17. Beloglovskiy A.A. Sopostavlenie Kriteriev Lavinno-strimernogo Perekhoda pri Chislennom Modelirovanii Elektronnoy Laviny v Vozdushnom Promezhutke s Sil'nym Elektricheskim Polem. Elektromagnitnoe Pole i Materialy (Fundamental'nye Fizicheskie Issledovaniya): Materialy XXIII Vseros. Konf.M.:INFRA-M,2015:54—61. (in Russian).
18. Beloglovskiy A.A., Il'ina Yu.G. Chislennyy Raschet Kriticheskikh Parametrov Elektronnoy Laviny v Vozdukhe. Fedorovskie Chteniya — 2015: Materialy XLV Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. s Elementami Nauchnoy Shkoly. M.: Izdat. Dom MEI, 2015:166—170. (in Russian).
19. Galimova A.V., Beloglovskiy A.A. Raschet i Analiz Elektronnykh Lavin i Lavinno-strimernykh Perekhodov v Sil'nom Elektricheskom Pole. Radioelektronika, Elektrotekhnika i Energetika: Tezisy Dokl. XXIV Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov. M.: Tsentr Poligraficheskikh Uslug «Raduga», 2018:1109. (in Russian).
20. Beloglovskiy A.A. Vereshchagin I.P. Trekhmernoe Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Razryada v Vozdukhe s Uchetom Vetvleniya: Ekonomichnyy Raschet Elektricheskogo Polya. Elektrichestvo. 2011;11:17—24. (in Russian).
---
For citation: Beloglovsky A.A. On Refining the Criterion for a Single Avalanche-tо-Streamer Transition in Air in Strong Uniform Electric Fields. Bulletin of MPEI. 2020;6:29—38. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-29-38.
2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.
3. Helling Ch., Jardine M., Witte S., Diver D.A. Ionization in Atmospheres of Brown Dwarfs and Extrasolar Planets. I. The Role of Electron Avalanche // Astrophysical J. 2011. V. 727. No. 4. Pp. 1—6.
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2009.
5. Nijdam S. e. a. Probing Photoionization: Experiments on Positive Streamers in Pure Gases and Mixtures // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. No. 14. P. 145204—145300.
6. Ламажапов Х.Д., Рыбаков Д.А. Влияние неоднородностей на продвижение стримеров // Вестник НГУ. Серия: «Физика». 2010. Т. 5. Вып. 1. С. 29—36.
7. Савельева Л.А., Самусенко А.В., Стишков Ю.К. Причины ветвления положительного стримера в неоднородном поле // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 49. № 2. С. 36—47.
8. Куффель Е., Цаенгель В., Куффель Дж. Техника и электрофизика высоких напряжений. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2011.
9. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. М.: Мир, 1968.
10. Meek J. A Theory of Spark Discharge // Phys. Rev. 1940. V. 57. Pp. 722—728.
11. Papageorgiou L., Metaxas A.C., Georghiou G.E. Three-dimensional Numerical Modelling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V .44. Pp. 045203—045222.
12. Oreshkin E.V., Barengolts S.A., Oreshkin V.I., Mesyats G.A. Parameters of a Runaway Electron Avalanche // Physics of Plasmas. 2017. V. 24. P. 103505.
13. Марченко М.А. Эффективное использование многоядерных сопроцессоров при суперкомпьютерном статистическом моделировании электронных лавин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Вычислительная математика и информатика». 2013. Т. 2. № 4. С. 80—93.
14. Rabie M., Franck C.M. A Study of the Avalanche-to-streamer Transition in Arbitrary Gases by Particle Simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. V. 49. P. 175202.
15. Montijn C., Ebert U. Diffusion Correction to the Raether-Meek Criterion for the Avalanche-to-streamer transition // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. Pp. 2979—2992.
16. Стишков Ю.К., Самусенко А.В. Особенности распространения электронных лавин в неоднородных электрических полях // Вестник Санкт-Петербургского ун-та. 2009. Сер. 4. Вып. 3. С. 36—44.
17. Белогловский А.А. Сопоставление критериев лавинно-стримерного перехода при численном моделировании электронной лавины в воздушном промежутке с сильным электрическим полем // Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования): Материалы XXIII Всерос. конф. М.: ИНФРА-М, 2015. С. 54—61.
18. Белогловский А.А., Ильина Ю.Г. Численный расчёт критических параметров электронной лавины в воздухе // Фёдоровские чтения — 2015: Материалы XLV Междунар. науч.-практ. конф. с элементами научной школы. М.: Издат. дом МЭИ, 2015. С. 166—170.
19. Галимова А.В., Белогловский А.А. Расчёт и анализ электронных лавин и лавинно-стримерных переходов в сильном электрическом поле // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докл. XXIV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Центр полиграфических услуг «Радуга», 2018. С. 1109.
20. Белогловский А.А. Верещагин И.П. Трёхмерное математическое моделирование стримерного разряда в воздухе с учётом ветвления: экономичный расчёт электрического поля // Электричество. 2011. № 11. С. 17—24.
---
Для цитирования: Белогловский А.А. Об уточнении критерия однолавинно-стримерного перехода в воздухе в сильных однородных электрических полях // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 29—38. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-29-38.
#
1. Bortnik I.M. i dr. Elektrofizicheskie Osnovy Tekhniki Vysokikh Napryazheniy. M: Izd-vo MEI, 2018. (in Russian).
2. Bazelyan E.M., Rayzer Yu.P. Fizika Molnii i Molniezashchity. M.: Fizmatlit, 2001. (in Russian).
3. Helling Ch., Jardine M., Witte S., Diver D.A. Ionization in Atmospheres of Brown Dwarfs and Extrasolar Planets. I. The Role of Electron Avalanche. Astrophysical J. 2011;727;4:1—6.
4. Rayzer Yu.P. Fizika Gazovogo Razryada. Dolgo-prudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2009. (in Russian).
5. Nijdam S. e. a. Probing Photoionization: Experiments on Positive Streamers in Pure Gases and Mixtures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010;43;14:145204—145300.
6. Lamazhapov Kh.D., Rybakov D.A. Vliyanie Neodnorodnostey na Prodvizhenie Strimerov. Vestnik NGU. Seriya: «Fizika». 2010;5;1:29—36. (in Russian).
7. Savel'eva L.A., Samusenko A.V., Stishkov Yu.K. Prichiny Vetvleniya Polozhitel'nogo Strimera v Neodnorodnom Pole. Elektronnaya Obrabotka Materialov. 2013;49;2:36—47. (in Russian).
8. Kuffel' E., Tsaengel' V., Kuffel' Dzh. Tekhnika i Elektrofizika Vysokikh Napryazheniy. Dolgoprudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2011. (in Russian).
9. Reter G. Elektronnye Laviny i Proboy v Gazakh. M.: Mir, 1968. (in Russian).
10. Meek J. A Theory of Spark Discharge. Phys. Rev. 1940;57:722—728.
11. Papageorgiou L., Metaxas A.C., Georghiou G.E. Three-dimensional Numerical Modelling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44:045203—045222.
12. Oreshkin E.V., Barengolts S.A., Oreshkin V.I., Mesyats G.A. Parameters of a Runaway Electron Avalanche. Physics of Plasmas. 2017;24:103505.
13. Marchenko M.A. Effektivnoe Ispol'zovanie Mnogoyadernykh Soprotsessorov pri Superkomp'yuternom Statisticheskom Modelirovanii Elektronnykh Lavin. Vestnik YUUrGU. Seriya «Vychislitel'naya Matematika i Informatika». 2013;2;4:80—93. (in Russian).
14. Rabie M., Franck C.M. A Study of the Avalanche-to-streamer Transition in Arbitrary Gases by Particle Simulation. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016;49:175202.
15. Montijn C., Ebert U. Diffusion Correction to the Raether-Meek Criterion for the Avalanche-to-streamer transition. J. Phys. D: Appl. Phys. 2006;39:2979—2992.
16. Stishkov Yu.K., Samusenko A.V. Osobennosti Rasprostraneniya Elektronnykh Lavin v Neodnorodnykh Elektricheskikh Polyakh. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Un-ta. 2009;4;3:36—44. (in Russian).
17. Beloglovskiy A.A. Sopostavlenie Kriteriev Lavinno-strimernogo Perekhoda pri Chislennom Modelirovanii Elektronnoy Laviny v Vozdushnom Promezhutke s Sil'nym Elektricheskim Polem. Elektromagnitnoe Pole i Materialy (Fundamental'nye Fizicheskie Issledovaniya): Materialy XXIII Vseros. Konf.M.:INFRA-M,2015:54—61. (in Russian).
18. Beloglovskiy A.A., Il'ina Yu.G. Chislennyy Raschet Kriticheskikh Parametrov Elektronnoy Laviny v Vozdukhe. Fedorovskie Chteniya — 2015: Materialy XLV Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. s Elementami Nauchnoy Shkoly. M.: Izdat. Dom MEI, 2015:166—170. (in Russian).
19. Galimova A.V., Beloglovskiy A.A. Raschet i Analiz Elektronnykh Lavin i Lavinno-strimernykh Perekhodov v Sil'nom Elektricheskom Pole. Radioelektronika, Elektrotekhnika i Energetika: Tezisy Dokl. XXIV Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov. M.: Tsentr Poligraficheskikh Uslug «Raduga», 2018:1109. (in Russian).
20. Beloglovskiy A.A. Vereshchagin I.P. Trekhmernoe Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Razryada v Vozdukhe s Uchetom Vetvleniya: Ekonomichnyy Raschet Elektricheskogo Polya. Elektrichestvo. 2011;11:17—24. (in Russian).
---
For citation: Beloglovsky A.A. On Refining the Criterion for a Single Avalanche-tо-Streamer Transition in Air in Strong Uniform Electric Fields. Bulletin of MPEI. 2020;6:29—38. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-29-38.
