Modeling the perturbation zone of a rarefied multicomponent low-temperature plasma by a stationary symmetric body

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper present a mathematical model of self-consistent relaxation in a perturbed region, based on the nonlinear Vlasov–Poisson system, which describes the interaction of a stationary absorbing charged conductor (of spherical or cylindrical geometry) with a free-molecular multicomponent low-temperature plasma. The high dimensionality of kinetic equations posed significant challenges for numerical implementation. To overcome these, we developed a system of curvilinear coordinates with nonholonomic constraints that reduces the phase volume of the problem; the derivation of the kinetic equation form in this coordinate system is provided. The employed numerical simulation method is described in detail.
The obtained results not only validate the adequacy of the proposed model and the correctness of numerical algorithms implementation, but also demonstrate substantial practical relevance. The kinetic nature of the model enables detailed investigation of plasma state and self-consistent electric field in the near-surface region. Specifically, for the case of a spherical body in three-component plasma, we demonstrate significant nonequilibrium in particle distribution within the perturbed zone and reveal characteristic features of spatial distribution and dynamics for particles with different charge signs.

About the authors

Valery V. Cherepanov

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Author for correspondence.
Email: vvcherepanov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2733-752X
SPIN-code: 3740-3292
Scopus Author ID: 14419630000
ResearcherId: R-7589-2016
https://www.mathnet.ru/rus/person63230

Dr. Tech. Sci., Associate Professor; Professor; Dept. of Physics

Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Shosse, 4

References

  1. Morfill G. E., Ivlev A. V. Complex plasmas: An interdisciplinary research field, Rev. Mod. Phys., 2009, vol. 81, no. 4, pp. 1353–1404. EDN: MYCKIN. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1353.
  2. Kuznetsov I. A., Saveliev A. A., Rasipuram S., et al. Development of active porous medium filters on plasma textiles, AIP Conf. Proc., 2012, vol. 1453, pp. 265–270. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4711186.
  3. Giddey S., Badwal S. P. S., Kulkarni A., Munnings C. A. A comprehensive review of direct carbon fuel cell technology, Prog. Energy Combust. Sci., 2012, vol. 38, no. 3, pp. 360–399. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2012.01.003.
  4. Thissen H. Plasma-based surface modification for the control of biointerfacial interactions, In: Biosynthetic Polymers for Medical Applications, Woodhead Publishing Series in Biomaterials; eds. L. Poole-Warren, P. Martens, R. Green. Amsterdam, Elsevier, 2016, pp. 129–144. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-105-4.00005-5.
  5. Gay-Mimbrera J., Garcia M. C., Isla-Tejera B., et al. Clinical and biological principles of cold atmospheric plasma application in skin cancer, Adv. Ther., 2016, vol. 33, no. 6, pp. 894–909. DOI: https://doi.org/10.1007/s12325-016-0338-1.
  6. Fayrushin I. I., Dautov I. G., Kashapov N. F. Distribution of potential and concentration of electrons in low-temperature plasma with hollow microparticles, Int. J. Env. Sci. Technol., 2017, vol. 14, pp. 2555–2560. EDN: XNOAWS. DOI: https://doi.org/10.1007/s13762-016-1054-8.
  7. Bronold F. X.,Rasek K., Fehske H. Electron microphysics at plasma-solid interfaces, J. Appl. Phys., 2020, vol. 128, 180908, arXiv: 2011.06821 [physics.plasm-ph]. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0027406.
  8. Freidman P. C., Fridman A. Using cold plasma to treat warts in children: A case series, Pediatr. Dermatol., 2020, vol. 37, no. 4, pp. 706–709. DOI: https://doi.org/10.1111/pde.14180.
  9. Kozhevnikov V. Yu., Kozirev A. V., Kokovin A. O., Semeniuk N. S. Kinetic model of vacuum plasma expansion in a cylindrical gap, Plasma Phys. Rep., 2023, vol. 49, no. 11, pp. 1350–1357. EDN: TEDTAW. DOI: https://doi.org/10.1134/s1063780x23601256.
  10. Adamovich I., Agarwal S., Ahedo E., et al. The 2022 Plasma Roadmap: low temperature plasma science and technology, J. Phys. D: Appl. Phys., 2022, vol. 55, no. 37, 373001. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac5e1c.
  11. Sanmartin J. R., Estes R. D. The orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes, Phys. Plasm., 1999, vol. 6, no. 1, pp. 395–405. DOI: https://doi.org/10.1063/1.873293.
  12. Merlino R. L. Experimental investigations of dusty plasmas, AIP Conf. Proc., 2005, vol. 799, pp. 3–11. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2134567.
  13. Thomas E. Dust clouds in DC-generated dusty plasmas: Transport, waves, and three-dimensional effects, Contr. Plasm. Phys., 2009, vol. 49, no. 4–5, pp. 316–345. DOI: https://doi.org/10.1002/ctpp.200910029.
  14. Chung S. S. M. FDTD simulations on radar cross section of metal cone and plasma covered metal cone, Vacuum, 2012, vol. 86, no. 7, pp. 970–984. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2011.08.016.
  15. Lev D., Myers R. M., Lemmer K. M., et al. The technological and commercial expansion of electric propulsion, Acta Astro., 2019, vol. 159, pp. 213–227. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.058.
  16. Timofeev A. V., Nikolaev V. S. Effect of glow discharge parameters on the mean inter-particle distance in dusty plasma structures in the cryogenic-room temperature range, J. Exp. Theor. Phys., 2019, vol. 128, pp. 312–322. EDN: XHPLLW. DOI: https://doi.org/10.1134/s1063776119010175.
  17. Ohkawa Y., Kawamoto S., Okumura T., et al. Review of KITE – Electrodynamic tender experiment on the Japanese H-II Transfer Vehicle, Acta Astro., 2020, vol. 177, pp. 750–758. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.014.
  18. Golub A. P., Popel S. I. Non-stationary processes during the formation of dusty plasma at the surface of Deimos, the satellite of Mars, Plasma Phys. Rep., 2021, vol. 47, no. 8, pp. 826–831. EDN: TYOEJP. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063780X21070084.
  19. Vaulina O. S. Redistribution of kinetic energy in three-dimensional clouds of charged dust grains, Plasma Phys. Rep., 2022, vol. 48, no. 1, pp. 33–36. EDN: OIYFLV. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063780X22010123.
  20. Ignatov A. M. Effect of nonreciprocal forces on the stability of dust clusters, Plasma Phys. Rep., 2021, vol. 47, no. 5, pp. 410–418. EDN: EPHPXO. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063780X21050020.
  21. Popel S. I., Zelenyi L. M., Zakharov A. V. Dusty plasma in the solar system: Celestial bodies without atmosphere, Plasma Phys. Rep., 2023, vol. 49, no. 8, pp. 1006–1013. EDN: DMNBYE. DOI: https://doi.org/10.1134/s1063780x23600780.
  22. Hartzell C. M., Bellan P., Bodewits D., et al. Payload concepts for investigations of electrostatic dust mothion on the lunar surface, Acta Astro., 2023, vol. 207, pp. 89–105. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.02.032.
  23. Chapman S., Cowling T. G. The Mathematical Theory of Non-Uniform Gases. An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases. Cambridge, Cambridge Univ., 1991, 423 pp.
  24. Silin V. P. Vvedeniye v kineticheskuyu teoriyu gazov [Introduction to Kinetic Theory of Gases]. Moscow, Nauka, 1971, 338 pp. (In Russian)
  25. Ecker G. Theory of Fully Ionized Plasmas. New York, London, Academic Press, 1972, xv+344 pp. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-10607-1.
  26. Artsimovich A. A., Sagdeev R. Z. Fizika plazmy dlya fizikov [Plasma Physics for Physicists]. Moscow, Atomizdat, 1979, 320 pp. (In Russian)
  27. Alpert Ya. L., Gurevich A. V., Pitaevskii L. P. Iskusstvennye sputniki v razrezhennoi plazme [Artificial Satellites in Rarefied Plasma]. Moscow, Nauka, 1964, 382 pp. (In Russian). EDN: ZTCPTT.
  28. Al’pert Ya. L. Volny i iskusstvennye tela v prizemnoi plazme [Waves and Artificial Bodies in Near-Earth Plasma]. Moscow, Nauka, 1974, 216 pp. (In Russian)
  29. Alekseev B. V., Kotelnikov V. A., Cherepanov V. V. Electrostatic probe in multicomponent plasma, Teplofiz. Vys. Temp., 1984, vol. 22, no. 2, pp. 395–396 (In Russian).
  30. Zhdanov S. K., Kurnaev V. A., Romanovskii M. K., Tsvetkov I. V. Osnovy fizicheskikh protsessov v plazme i plazmennykh ustanovkakh [Fundamentals of Physical Processes in Plasma and Plasma Devices]. Moscow, MEPhI, 2007, 368 pp. (In Russian)
  31. Vlasov A. A. The vibrational properties of an electron gas, Sov. Phys. Usp., 1968, vol. 10, no. 6, pp. 721–733. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1968v010n06ABEH003709.
  32. Pegoraro F., Califano F., Manfredi G., Morrison P. J. Theory and applications of the Vlasov equation, Eur. Phys. J. D, 2015, vol. 69, 68. DOI: https://doi.org/10.1140/epjd/e2015-60082-y.
  33. Vedenyapin V. V., Kogtenev D. A. On Derivation and Properties of Vlasov-Type Equations, Keldysh Institute preprints, 2023, 020 (In Russian). DOI: https://doi.org/10.20948/prepr-2023-20.
  34. Skubachevskii A. L. Vlasov–Poisson equations for a two-component plasma in a homogeneous magnetic field, Russ. Math. Surv., 2014, vol. 69, no. 2, pp. 291–330. EDN: UELRWZ. DOI: https://doi.org/10.1070/RM2014v069n02ABEH004889.
  35. Vlasov A. A. Statisticheskie funktsii raspredeleniia [Statistical Distribution Functions]. Moscow, Nauka, 1966, 356 pp. (In Russian)
  36. Godunov S. K., Ryaben’kii V. S. Raznostnye skhemy. Vvedenie v teoriiu [Difference Schemes: Introduction to the Theory]. Moscow, Nauka, 1977, 400 pp. (In Russian)
  37. Potter D. Computational Physics. London, John Wiley & Sons, 1973, xi+304 pp.
  38. Hockney R. W., Eastwood J. W. Computer Simulation Using Particles. Bristol, Philadelphia, Adam Hilger, 1988, xxi+540 pp. DOI: https://doi.org/10.1201/9780367806934.
  39. Alifanov O. M., Cherepanov V. V. Metody issledovaniya i prognozirovaniya svoistv vysokoporistykh teplozashchitnykh materialov [Methods for Studying and Predicting Properties of Highly Porous Thermal Protection Materials]. Moscow, Moscow Aviation Inst., 2014, 264 pp. (In Russian)
  40. Cherepanov V. V. On the solution of some nonlinear elliptic equation for thermal applications, Tepl. Protsessy Tekhn., 2024, vol. 16, no. 2, pp. 55–67 (In Russian). EDN: CSHXIN.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Evolution of the radial electric field intensity $E_{r}$ profile during the development of the disturbed zone (a) and stationary profiles of electric charge concentration (b). Here and elsewhere, the curve numbering corresponds to the table

Download (127KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. The type of the stationary phase density $Q=J^{\ast}f$ distribution for positive (a) and negative (b) ions in the near-wall layer of the body

Download (270KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Behavior of radial profiles of thermal characteristics of the disturbed zone during its development: a and b — temperature $T_{+}$ and radial heat flux density of positive ions $q_{r+}$; c and d — temperature $T_{-}$ and radial heat flux density of negative ions $q_{r-}$

Download (343KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».