Математическое моделирование плазмы комбинированных разрядов

• Автор: Степанов, Сергей Витальевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 107 с. : ил.

Введение

Глава 1. Математическое моделирование низкотемпературной плазмы газовых разрядов.

1.1. Основные физические процессы плазмы газовых разрядов.

1.2. Сравнение и анализ существующих моделей.

1.3. Построение двумерной модели комбинированных газовых разрядов.

1.3.1. Уравнение Пуассона.

1.3.2. Уравнение Больцмана.

1.3.3. Уравнение непрерывности, передачи импульса, электронного баланса.

1.3.4. Дрейфово-диффузионное приближение.

1.3.5. Постановка задачи. Граничные условия.

Глава 2. Интегрированная среда моделирования «Виртуальный плазменный разряд». Интерактивная графическая среда для проведения вычислительного эксперимента.
2.1. Проведение вычислительных экспериментов с помощью программных средств.
2.2. Концепция среды моделирования.
2.3. Дизайнер для построения графа вычислений.
2.4. Обработка входных и выходных данных кодов. Интеграция с пакетом ScopeShell.
2.5. Поддержка параллельных и распределенных вычислений. Интеграция с пакетом для
распределенных вычислений Tadisys.
2.6. Визуализация результатов.
Глава 3. Численное решение. Результаты моделирования для комбинированного газового разряда с различными типами подключения источника постоянного напряжения.
3.1. Разностная схема для двумерной модели комбинированного газового разряда.
3.2. Параллельный численный код Virtual Discharge (VD) для проведения вычислительного
эксперимента.
3.3. Конфигурации плазменной установки. Комбинирование постоянного и переменного
источников. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.
3.3.1. Совмещение двух ВЧ источников напряжения.
3.3.2. Совмещение ВЧ и постоянного источников напряжений.
3.4. Сравнение с экспериментальными данными.
3.5. Сравнение результатов с данными моделей PIC-MCC.
3.6. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
В течение многих последних лет активно проводятся как теоретические, так и экспериментальные исследования свойств плазмы. Плазму делят на низкотемпературную (температура обычно меньше 105 К) и высокотемпературную (температура 106 К и выше). Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние [1, 6].
Плазму также разделяют на равновесную и неравновесную. Под равновесным состоянием понимается такое состояние, в котором температуры всех частиц (электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов, нейтральных частниц) равны. В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч К [3].
Газовые разряды также можно разделить на разряды низкого давления и высокого давления. Следует отметить, что, в целом, нельзя четко определить границы давления для двух типов, но как правило, под газовыми разрядами низкого давления понимают разряды, возбужденные при давлении до 1 Topp, а высокого давления - более 1 Topp. В газовых разрядах высокого давления столкновения между частицами происходят часто (соответственно, длина свободного пробега мала, и меньше, чем расстояние между электродами), что приводит к эффективному обмену энергией, а следовательно, и равным температурам частиц. Напротив, в газовых разрядах низкого давления столкновения между частицами происходят значительно реже по сравнению с плазмой разрядов высокого давления, длина свободного пробега сравнима с расстоянием между электродами, а следовательно, температура частиц значительно различается между собой.

Интерес к изучению неравновесной низкотемпературной плазмы газовых разрядов связан с ее интенсивным использованием в современных технологиях. Это и обработка материалов в плазменных реакторах, которая включает в себя: травление, очистку, напыление (получение материалов с заданными свойствами), стерилизация медицинских инструментов, а также другие области применения.
В плазменных реакторах анизотропность процессов достигается за счет того, что ионы в электрическом поле в приэлектродном слое ускоряются в направлении, перпендикулярном электроду. Скорость процессов определяется величиной потока ионов из плазмы, которая непосредственно зависит от плотности плазмы. В этом заключается уникальность использования плазмы в технологии, совокупность физических и химических свойств которой позволяет с одной стороны производить механическое воздействие за счет ускоренных ионов, приводящее к распылению обрабатываемой поверхности, с другой стороны, добавляя различные газы, можно добиться необходимых плазмохимических процессов на поверхности обрабатываемого образца.
В настоящее время идет поиск плазменных систем для нового поколения плазменных реакторов для применения в различных прикладных задачах. Ключевая задача - повышение эффективности работы установки. Для этого, с одной стороны, необходимо создать плазму высокой плотности, а с другой - должна существовать возможность эффективного управления энергией ионов, воздействующих на поверхность. Для функционального разделения этих процессов в последнее время стали использовать «комбинированные разряды» - разряды, возбужденные двумя источниками постоянного или переменного напряжений. Основная цель использования подобного рода конфигураций - независимое управление как плотностью частиц, так и их энергией, что крайне важно в повышении эффективности применения газовых разрядов в различных областях.
В связи с этим, необходимо детальное исследование процессов, протекающих в плазме комбинированных высокочастотных газовых разрядов, и зависимости их параметров от конфигурации установки и от характеристик источников напряжения.

C:4Jsers'pelson'poajmentsVSimComposef I гИ1Пг№тЬГ|11 rilfiThwTT nrr П
6.2VunsV^peativdyCouptedPtasma2D Nil -ллрс U
C] capacitivelyCoupledPlasma2[Xpre Q eedlAr.dat
ffl Smart Grocjjing

LZ 0.05 '
ZSTART 0.

LR 0.05 В
RSTART 0.

DENSTTY_Ar 2.0E2D
VOLTAGE 200.
FREQ 6.e
PHASE 0.
МОИ»! 5.el
NOMPPC L
Capadtiveiy coupled ptasma decharge In two-drneneional cyfrxücaJ coordnates
Рис. 2.2. Пример графического интерфейса пакета OOPic Pro
На риуснках 2.2, 2.3 представлен пример графического интерфейса пользователя. Как видно из примера, пакет предоставляет пользователю возможность в интерактивном режиме определять параметры установки и задавать начальные условия. Визуализация результатов также производится с помощью встроенных средств.
Но несмотря на такую функциональность, все же можно выделить и недостатки данного подхода - с получаемыми результатами удобно работать в рамках среды, но значительно труднее получить результаты численных исследований и использовать их в других пакетах.