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Stability and bifurcations of modes of current transfer to cathodes of DC gas discharges
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 8.15 MB | Adobe PDF |
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Abstract(s)
Stability of di⁄erent steady-state modes of current transfer to cathodes of DC highpressure arcs and of di⁄erent axially symmetric modes of current transfer of DC glow discharges against small perturbations is investigated in the framework of the linear stability theory. The eigenvalue problem for perturbations is solved with the use of software COMSOL Multiphysics. For the arc discharge, it was found that only the di⁄use mode and the rst 3D spot mode can be stable. The transition between the two modes is non-stationary and accompanied by hysteresis. For the glow discharge, variations of the increments of perturbations with discharge current are investigated for the 1D glow discharge and di⁄erent modes of axially symmetric glow discharge. Both real and complex increments have been detected, meaning that perturbations can vary with time both monotonically and with oscillations. In general, results given by the linear stability theory conrm intuitive concepts developed in the literature and conform to the experiment. On the other hand, the theory provides suggestions for further experimental and theoretical work. Bifurcations encountered in numerical modelling of current transfer to cathodes of DC high-pressure arcs and of DC glow discharges are analyzed. All basic types of steady-state bifurcations (fold, transcritical, pitchfork) have been identied and analyzed. The analysis provides explanations to many results obtained in numerical modelling. In particular, it is shown that dramatic changes of patterns of current transfer to cathodes of both glow and arc discharges, described by numerical modelling, occur through perturbed transcritical bifurcations of rst and second order contact. For the case of the arc discharge, e⁄ect over stability of cathode geometry and temperature of cooling was studied. It was found that changes of patterns of the steady-state modes occur due to interplay of self-organization and geometric factors.
A estabilidade de diferentes modos estacionÆrios de transferŒncia de corrente para cÆtodos de arco a alta pressªo e de diferentes modos estacionÆrios axialmente simØtricos de transferŒncia de corrente em descargas luminescentes em relaªo a pequenas perturbaıes Ø investigada no mbito da teoria da estabilidade linear. O problema de valores prprios para as perturbaıes Ø resolvido atravØs do software COMSOL Multiphysics. Na descarga de arco, vericou-se que apenas o modo difuso e o primeiro modo mancha 3D podem ser estÆveis. A transiªo entre os dois modos Ø nªo-estacionÆria e acompanhada por histerese. Na descarga luminescente, as variaıes dos incrementos das perturbaıes com a corrente sªo investigadas para o caso 1De para diferentes modos axialmente simØtricos. Incrementos reais e complexos foram detectados, o que signica que as perturbaıes podem variar com o tempo tanto monotonicamente como com oscilaıes. Em geral, os resultados fornecidos pela teoria da estabilidade linear conrmam os conceitos intuitivos desenvolvidos na literatura e estªo em conformidade com as experiŒncias. A teoria tambØm fornece sugestıes para trabalhos tericos e experimentais. As bifurcaıes encontradas durante a modulaªo numØrica da transferŒncia de corrente para os cÆtodos de arco a alta pressªo e em descargas luminescentes sªo analisadas. Todos os tipos bÆsicos de bifurcaıes estacionÆrias foram identicados e analisados. A anÆlise fornece explicaıes para muitos dos resultados obtidos na modulaªo numØrica. Em particular, Ø mostrado que mudanas dramÆticas dos padrıes de transferŒncia de corrente para ambos os cÆtodos das descargas luminescente e de arco ocorrem por meio de perturbaıes de bifurcaıes transcrticas de contato de primeira e segunda ordem. No caso da descarga de arco, o efeito da geometria do cÆtodo e da temperatura de arrefecimento sobre a estabilidade foi estudado. Vericou-se que as mudanas dos padrıes dos modos estacionÆrios ocorrem devido a uma interaªo entre auto-organizaªo e fatores geomØtricos.
A estabilidade de diferentes modos estacionÆrios de transferŒncia de corrente para cÆtodos de arco a alta pressªo e de diferentes modos estacionÆrios axialmente simØtricos de transferŒncia de corrente em descargas luminescentes em relaªo a pequenas perturbaıes Ø investigada no mbito da teoria da estabilidade linear. O problema de valores prprios para as perturbaıes Ø resolvido atravØs do software COMSOL Multiphysics. Na descarga de arco, vericou-se que apenas o modo difuso e o primeiro modo mancha 3D podem ser estÆveis. A transiªo entre os dois modos Ø nªo-estacionÆria e acompanhada por histerese. Na descarga luminescente, as variaıes dos incrementos das perturbaıes com a corrente sªo investigadas para o caso 1De para diferentes modos axialmente simØtricos. Incrementos reais e complexos foram detectados, o que signica que as perturbaıes podem variar com o tempo tanto monotonicamente como com oscilaıes. Em geral, os resultados fornecidos pela teoria da estabilidade linear conrmam os conceitos intuitivos desenvolvidos na literatura e estªo em conformidade com as experiŒncias. A teoria tambØm fornece sugestıes para trabalhos tericos e experimentais. As bifurcaıes encontradas durante a modulaªo numØrica da transferŒncia de corrente para os cÆtodos de arco a alta pressªo e em descargas luminescentes sªo analisadas. Todos os tipos bÆsicos de bifurcaıes estacionÆrias foram identicados e analisados. A anÆlise fornece explicaıes para muitos dos resultados obtidos na modulaªo numØrica. Em particular, Ø mostrado que mudanas dramÆticas dos padrıes de transferŒncia de corrente para ambos os cÆtodos das descargas luminescente e de arco ocorrem por meio de perturbaıes de bifurcaıes transcrticas de contato de primeira e segunda ordem. No caso da descarga de arco, o efeito da geometria do cÆtodo e da temperatura de arrefecimento sobre a estabilidade foi estudado. Vericou-se que as mudanas dos padrıes dos modos estacionÆrios ocorrem devido a uma interaªo entre auto-organizaªo e fatores geomØtricos.
Description
Keywords
High-pressure arc discharge Glow discharge Cathode spots Self-organization Stability Bifurcations Descarga de arco a alta pressão Descarga luminescente Manchas catódicas Auto-organização Estabilidade Bifurcações Física . Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia