Обновление модуля Плазма

Пользователи модуля Плазма в версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics® могут использовать новую модель диффузии Global (Глобальная) для проверки сложных химических реакций, возможность приблизительного вычисления средней энергии электронов для систем под высоким давлением, а также несколько новых учебных моделей. Ознакомьтесь с остальными новыми функциями и учебными моделями модуля Плазма ниже.

Новое приложение: Больцмановский тлеющий разряд постоянного тока.

Это приложение моделирует тлеющий разряд постоянного тока. С помощью интерфейса Boltzmann Equation, Two-term Approximation (Уравнение Больцмана, двухчленное приближение) рассчитывается функция распределения электронов по энергиям и транспортные свойства электронов. Поскольку входные параметры интерфейса Boltzmann Equation, Two-term Approximation (Уравнение Больцмана, двухчленное приближение), такие как степень ионизации плазмы, в начале моделирования неизвестны, моделирование является итеративным. Расчет по Больцману и расчет параметров плазмы проводятся по очереди до тех пор, пока изменение концентрации электронов не упадет ниже заданной пользователем величины. Результатом является функция распределения электронов по энергиям в каждой точке объема моделирования.

На изображении — приложение Boltzmann DC Glow Discharge (Больцмановский тлеющий разряд постоянного тока), созданное в модуле Плазма. Пользовательский интерфейс для приложения Boltzmann DC Glow Discharge (Больцмановский тлеющий разряд постоянного тока), показывающий результаты моделирования. Пользовательский интерфейс для приложения Boltzmann DC Glow Discharge (Больцмановский тлеющий разряд постоянного тока), показывающий результаты моделирования.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Applications/boltzmann_dc_discharge

Глобальное моделирование для предварительного анализа плазменных процессов

Чтобы облегчить моделирование процессов в плазме, добавлена новая диффузионная модель Global (Глобальная), в которой можно проводить предварительные анализы. По их итогам затем проводится более точное моделирование. Глобальное моделирование проводит анализ с применением обыкновенных дифференциальных уравнений к модели плазмы и сокращает число степеней свободы, перед дальнейшим моделированием. Благодаря этому можно провести тестирование и проверку сложных химических реакций, а уже затем смоделировать найденные процессы с учетом геометрии реактора, химических взаимодействий на поверхности и поступающих реагентов в моделях с пространственной зависимостью. Чтобы включить глобальное моделирование, выберите опцию Global (Глобальное моделирование) в раскрывающемся меню Diffusion model (Модель диффузии), и выберите тип реакционного объема из доступных:

  • Закрытый реактор (Closed Reactor)
  • Постоянная масса (Constant mass)
  • Постоянное давление (Constant pressure)


Путь к файлам Библиотеки приложений примера использования глобального моделирования:
Plasma_Module/Global_Discharges/chlorine_global_model

Приближение локального поля

Численное моделирование разрядов при атмосферном давлении подвержено расходимостям из-за трудности расчета средней энергии электрона. Теперь этот расчет можно обойти, используя функцию Local field approximation (Приближение локального поля). В ней транспортные свойства и исходные коэффициенты становятся функциями приведенного электрического поля, которое задает пользователь. Это приближение работает при высоких давлениях и позволяет моделировать стримеры и коронные разряды.


Путь к файлам Библиотеки приложений примеров использования опции Local field approximation (Приближение локального поля):
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/corona_discharge_air_1d
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/streamer_1d

Автоматический расчет подвижности электронов

При задании подвижности электронов в окне Settings (Настройки) узла Plasma Model (Модель плазмы) теперь можно задать транспортные свойства, которые будут рассчитаны автоматически на основе списка реакций, протекающих с участием электронного удара.


Пути к файлам Библиотеки приложений, используемым в примерах применения опции From electron impact reactions (Из реакций с участием электронного удара):
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/argon_dbd_1d
Plasma_Module/Inductively_Coupled_Plasmas/electrodeless_lamp

Поддержка различных единиц измерения в интерфейсе Plasma (Плазма)

В интерфейсе Plasma (Плазма) теперь можно выбирать единицы измерения для данных, содержащихся в двух колонках таблиц. Доступ к единицам измерения появился в следующих опциях:

Реакции с участием электронного удара

  • Когда в опции Specify reaction using (Задание реакции с использованием...) выбран параметр Cross section data (Данные поперечных сечений), доступны таблицы Electron energy (Энергия электронов), и Collision cross section data (Поперечное сечение столкновения), .
  • Когда в опции Specify reaction using (Задание реакции с использованием...) выбран параметр Use lookup table (Справочная таблица), и в опции Rate constant form (Форма константы реакции) выбран параметр Rate coefficient (Коэффициент скорости), доступны таблицы Mean electron energy (Средняя энергия электронов), и Rate coefficient data (Данные по коэффициенту скорости), .
  • Когда в опции Specify reaction using (Задание реакции с использованием...) выбран параметр Use lookup table (Справочная таблица), и в опции Rate constant form (Форма константы реакции) выбран параметр Townsend coefficient (Коэффициент Таунсенда), доступны таблицы Mean electron energy (Средняя энергия электронов), и Townsend coefficient data (Данные по коэффициенту Таунсенда), .

Вид реагента

Когда в опции Species (Вид реагента) выбран параметр Ion (Ион), а в опции Mobility and Diffusivity Expressions (Выражения для подвижности и коэффициента диффузии) выбран параметр Specify mobility, compute diffusivity (Задать подвижность, вычислить коэффициент диффузии), параметр Ion mobility (Подвижность ионов), может быть задан через параметр Electric field (Напряженность электрического поля), ). Когда в опции Species (Вид реагента) выбран параметр Ion (Ион), а в опции Mobility and Diffusivity Expressions (Выражения для подвижности и коэффициента диффузии) выбран параметр Specify mobility, compute diffusivity (Задать подвижность, вычислить коэффициент диффузии), параметр Ion mobility (Подвижность ионов), может быть задан через параметр Reduced electric field (Напряженность приведенного электрического поля), ).

Модель плазмы

Когда свойство Use reduced electron transport properties (Использовать приведенные транспортные свойства электронов) в интерфейсе не активировано, и в опции Electron transport properties (Транспортные свойства электронов) выбран параметр Use lookup tables (По справочным данным), доступны четыре таблицы для следующих величин:

  • Electron mobility(Подвижность электронов), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Electron mobility (Подвижность электронов), .
  • Electron diffusivity (Коэффициент диффузии электронов), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Electron diffusivity (Коэффициент диффузии электронов), .
  • Electron energy diffusivity (Коэффициент диффузии электронов, перенос энергии), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Electron energy diffusivity (Коэффициент диффузии электронов, перенос энергии), .
  • Electron energy mobility (Подвижность электронов, перенос энергии), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Electron energy mobility (Подвижность электронов, перенос энергии), .

Когда свойство Use reduced electron transport properties (Использовать приведенные транспортные свойства электронов) активировано в интерфейсе, и в опции Electron transport properties (Транспортные свойства электронов) выбран параметр Use lookup tables (По справочным данным), доступны четыре таблицы для следующих величин:

  • Reduced electron mobility (Приведенная подвижность электронов), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Reduced electron mobility (Приведенная подвижность электронов), .
  • Reduced electron diffusivity (Приведенный коэффициент диффузии электронов), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Reduced electron diffusivity (Приведенный коэффициент диффузии электронов), .
  • Reduced electron energy diffusivity (Приведенный коэффициент диффузии электронов, перенос энергии), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Reduced electron energy diffusivity (Приведенный коэффициент диффузии электронов, перенос энергии), .
  • Reduced electron energy mobility (Приведенная подвижность электронов, перенос энергии), в которой имеются две колонки — Mean electron energy (Средняя энергия электронов), , и Reduced electron energy mobility (Приведенная подвижность электронов, перенос энергии), .

Дополнительные модели ионной подвижности

Появились две новые модели расчета подвижности ионов. Модель Далгарно корректна при слабых электрических полях (когда скорость дрейфа ионов намного меньше скорости теплового движения). Для ее использования необходимо указать поляризуемость ионов. Модель сильного поля корректна, когда скорость дрейфа ионов значительно больше скорости теплового движения.

Новая учебная модель: Коронный разряд в воздухе при атмосферном давлении

В данной учебной модели рассматривается исследование коаксиального коронного разряда постоянного тока в сухом воздухе при атмосферном давлении. В данной модели используются геометрические размеры и условия работы, которые встречаются в электростатических осадителях конфигурации «провод — пластина». Внутренний проволочный электрод имеет радиус 100 мм, а зазор между электродами составляет 10 см.

Модель решает уравнения непрерывности и сохранения импульса в приближении смещения диффузии для электронов и ионов, самосогласованно связанных с уравнением Пуассона. Используется приближение локального поля, то есть предполагается, что приведенное электрическое поле корректно параметризует коэффициенты переноса и генерации.

Представленные модели описывают стационарный режим поддержания заряда, в котором внутренний электрод находится под напряжением десятки киловольт, а внешний заземлен. Основное внимание в модели уделяется генерации и переносу заряженных частиц, и тому, как из этих процессов вытекают наблюдаемые вольт-амперные характеристики разряда.

График из учебной модели Atmospheric Pressure Corona Discharge in Air (Коронный разряд в воздухе при атмосферном давлении). Плотности электронов, положительных ионов и отрицательных ионов в коронном разряде с упрощенной химией атмосферы. Плотности электронов, положительных ионов и отрицательных ионов в коронном разряде с упрощенной химией атмосферы.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/corona_discharge_air_1d

Новая учебная модель: отрицательный стример в азоте, одномерная модель

Стримеры — это нестационарные нитевидные электрические разряды, которые развиваются в непроводящей среде под действием сильного электрического поля. В этих разрядах может достигаться высокая концентрация свободных электронов, а следовательно, и высокая концентрация химически активных частиц, что важно во многих практических задачах. В промышленности они применяются, к примеру, при производстве озона, в обработке поверхностей и в борьбе с загрязнениями.

Распространение стримеров характеризуется весьма нелинейной динамикой, в которой играют роль очень резкие градиенты плотности, и высокие плотности заряда, сосредоточенные в очень тонких слоях. В данной модели демонстрируется исследование отрицательного стримера в азоте при атмосферном давлении и постоянном электрическом поле напряженностью -100 кВ/см. Данная модель является одномерной и описывает переходный процесс от момента появления электрона-затравки в невозмущенном электрическом поле до, собственно, распространения стримера.

График из учебной модели Negative Streamer in Nitrogen in 1D (Одномерная модель отрицательного дугового разряда в азоте). Пространственное распределение плотности электронов (цветные сплошные линии) и ионов (черные прерывистые линии) для четырех значений времени во время дугового разряда. Пространственное распределение плотности электронов (цветные сплошные линии) и ионов (черные прерывистые линии) для четырех значений времени во время дугового разряда.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/streamer_1d

Новая учебная модель: разряд в плазме хлора

Плазмы, получающиеся при разряде в хлорсодержащих газах, часто используются в производстве микроэлектроники для травления полупроводников и металлов.

В данной модели хлорсодержащая газоразрядная плазма исследуется с использованием глобальной (усредненной по объему) диффузионной модели. Процесс моделирования в таких моделях во много раз быстрее, чем при учете геометрии пространства, поэтому они хорошо подходят для исследования больших установок и широких диапазонов параметров.

В модели Chlorine Discharge (Разряд в плазме хлора) разряд исследуется в диапазоне давлений от 1 до 100 миллиторр и диапазоне поглощенной мощности от 50 до 600 Вт. В качестве результатов вычисляются несколько важных параметров, таких как концентрация электронов, их температура, и концентрация атомарного хлора. Все эти параметры хорошо сходятся с литературными данными об измерениях в индуктивно-связанной плазме.

Новый график из учебной модели Chlorine Discharge (Разряд в плазме хлора) в версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics. Выделение компонентов хлора и плотность электронов в реакторе, основанном на модели глобальной диффузии. Выделение компонентов хлора и плотность электронов в реакторе, основанном на модели глобальной диффузии.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Global_Discharges/chlorine_global_model

Новая учебная модель: химия поверхности

Реакциями на поверхности часто пренебрегают при моделировании реакций в потоке. Эта учебная модель демонстрирует, как можно включить реагенты и реакции, связанные с поверхностью, в изучение таких процессов, таких как химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Далее учебная модель демонстрирует рост кремния на подложке.

Сначала в примере запускается глобальное моделирование, в котором исследуется широкий набор параметров и сложные химические реакции. Затем строится и запускается модель, учитывающая геометрию. Особое внимание уделяется общему закону сохранения масс в системе, с учетом которого исследуется среднемассовая скорость и скорость диффузии. В модели демонстрируется сохранение молярных концентраций и общей массы в системе. Наконец, строится и изучается зависимость толщины осажденного слоя кремния от времени.

Новый график из учебной модели Surface Chemistry (Химия поверхности) в версии 5.3 программного продукта COMSOL Multiphysics.

Рост осажденного кремния на границе для глобальной модели (справа) и пространственно-зависимой модели (слева). На оси x расположена пространственная координата (м), на оси y — время (с), а на оси z — толщина выросшего слоя (Å). Поскольку это реактор закрытого типа с равномерным распределением составляющих компонентов, результаты двух методов хорошо согласуются.

Рост осажденного кремния на границе для глобальной модели (справа) и пространственно-зависимой модели (слева). На оси x расположена пространственная координата (м), на оси y — время (с), а на оси z — толщина выросшего слоя (Å). Поскольку это реактор закрытого типа с равномерным распределением составляющих компонентов, результаты двух методов хорошо согласуются.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Chemical_Vapor_Deposition/surface_chemistry_tutorial

Новая учебная модель: микроволновая микроплазма

В микроскопических разрядных промежутках возможно поддержание плазмы с высоким рабочим давлением (1 бар), высокой концентрацией электронов (1e20 м^-3) и плотностью энерговыделения (1e9 Вт/м^3), и в то же время — относительно низкой температурой тяжелых частиц. В этой модели изучается поведение плазменного разряда в аргоне при атмосферном давлении, поддерживаемого переменным электрическим полем микроволновой частоты. Эта модель является одномерной в направлении прикладываемого поля и описывает изменения некоторых макроскопических параметров в пространстве и времени.

Новый график из учебной модели Microwave Microplasma (Микроволновая Микроплазма) в версии 5.3 программного продукта COMSOL Multiphysics.

Изменение логарифма плотности электронов во время 500-го радиочастотнoго цикла. На оси y — время, умноженное на частоту возбуждения.

Изменение логарифма плотности электронов во время 500-го радиочастотнoго цикла. На оси y — время, умноженное на частоту возбуждения.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Capacitively_Coupled_Plasmas/microwave_microplasma