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COMSOL Multiphysics® 5.3版本針對電漿模組的用戶引入了新的全域擴散模型,可用於測試複雜的化學反應、新增了用於逼近高壓系統的平均電子能的選項,以及多個教學模型。請閱讀以下內容,了解電漿模組中的新功能和教學模型。

 

App:波茲曼直流輝光放電

App模擬直流輝光放電。採用波茲曼方程,兩項近似介面計算電子能分佈函數 (EEDF) 和電子傳遞屬性。由於波茲曼方程,兩項近似介面的輸入參數(例如,電漿的電離度)事先未知,因此要執行一個迭代過程。其中交替計算了波茲曼研究和電漿研究,直到電子密度的偏差低於用戶定義的值。因此,可以檢查幾何每個點處的 EEDF

A screenshot of the Boltzmann DC Glow Discharge app made with the Plasma Module.

顯示模擬結果的波茲曼直流輝光放電案例 App的用戶界面

 

“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Applications/boltzmann_dc_discharge

電漿過程初始分析的全域建模

為了便於對電漿過程建模,現在可以先使用新的全域擴散模型對過程執行初始分析,來進行更準確的建模。全域建模透過對電漿模型應用常微分方程來降低模型的自由度。這樣可以在運行空間相關模型之前對複雜的化學反應進行測試和驗證,同時仍分析反應器幾何、表面化學和進料流。要啟用全域建模,請從擴散模型下拉選單中選擇全域選項,然後從可用的反應器類型中選擇:

l   密閉反應器

l   恆定質量

l   恆定壓力

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有關顯示全域建模的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Global_Discharges/chlorine_global_model

局部場近似

由於計算平均電子能存在困難,因此大氣壓放電往往數值不穩定。現在可以使用局部場近似選項避免計算平均電子能。傳輸屬性和來源係數成為約化電場的用戶定義的函數。在對流光和電暈建模時,這種近似適用於高壓。


有關顯示局部場近似用法的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/corona_discharge_air_1d

Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/streamer_1d

自動計算電子遷移率

在電漿模型設定視窗中指定電子遷移率時,現在可以將傳遞屬性指定為根據電子碰撞反應列表自動計算。


有關使用來自電子碰撞反應 選項的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/argon_dbd_1d

Plasma_Module/Inductively_Coupled_Plasmas/electrodeless_lamp

支援在電漿介面的表格中使用單位

現在可以更改電漿介面中表格兩列中的數據單位,在以下特徵中使用單位。

 

電子碰撞反應

l   當指定反應使用設為截面數據時,可以使用包含電子能 (V) 和碰撞橫截面數據 (m^2) 的表格

l   當指定反應使用設為使用查表且速率常數格式設為速率係數時,可以使用包含平均電子能 (V) 和速率係數數據 (m^3/(mol \cdot s)) 的表格

l   當指定反應使用設為使用查表且速率常數格式 設為 Townsend 係數 時,可以使用包含平均電子能 (V) Townsend 係數數據 (m^2) 的表格

 

物種

l   當物種為離子且遷移係數和擴散係數表示式設為指定遷移係數,計算擴散係數時,可以根據電場 (V/m) 指定離子遷移率 (m^2/(V \cdot s))

l   當物質為離子且遷移係數和擴散係數表示式設為指定遷移係數,計算擴散係數時,可以根據約化電場(V/m^2) 指定離子遷移率(m^2/(V \cdot s) )

 

電漿模型

當介面屬性使用約化電子傳遞屬性處於不啟動狀態以及電子傳遞屬性設為使用查表時,可以使用以下四個表格:

l   電子遷移率,其中包含平均電子能 (V) 列和電子遷移率 (m^2/(V \cdot s))

l   電子擴散係數,其中包含平均電子能 (V) 列和電子擴散係數 (m^2/s)

l   電子能擴散係數,其中包含平均電子能 (V) 列和電子能擴散係數 (m^2/s)

l   電子能遷移率,其中包含平均電子能 (V) 列和電子能遷移率 (m^2/(V \cdot s))

 

當介面屬性使用約化電子傳遞屬性處於啟動狀態以及電子傳遞屬性設為使用查表時,可以使用以下四個表格:

l   還原電子遷移率,其中包含平均電子能 (V) 列和還原電子遷移率 (1/(m \cdot V \cdot s))

l   還原電子擴散係數,其中包含平均電子能 (V) 列和還原電子擴散係數 (1/(m \cdot s))

l   還原電子能擴散係數,其中包含平均電子能 (V) 列和還原電子能擴散係數 (1/(m \cdot s))

l   還原電子能遷移率,其中包含平均電子能 (V) 列和還原電子能遷移率 (1/(m \cdot V \cdot s))

 

新增的離子遷移率模型

新增兩個可用於計算離子遷移率的模型。Dalgarno模型需要離子極化列表,在電場較低(離子漂移速度遠慢於離子熱速度)時有效。高場模型在離子漂移速度遠快於熱速度時有效。

 

新教學模型:空氣中大氣壓電暈放電

研究大氣壓下乾燥空氣中的同軸直流電暈放電。其尺寸和工作條件與具有線-板配置的靜電除塵器中的類似,內部線電極半徑為100 mm,電極之間的間隙為10 cm

 

模型求解漂移擴散近似中的電子和離子連續性和動量方程,與泊松方程自洽耦合。使用局部場近似,這意味著傳輸係數和來源係數假定為藉由約化電場進行了很好地參數化。

 

執行穩態模擬,持續放電,並對內部電極施加幾十kV的電壓,外部電極接地。主要模擬帶電粒子的產生和傳輸,以及如何轉化為放電的電流-電壓特性。

A plot from the Atmospheric Pressure Corona Discharge in Air tutorial model.

包含簡化大氣化學的電暈放電中的電子密度、正離子密度以及負離子密度

 

“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/corona_discharge_air_1d

新教學模型:氮中的負流光一維模型

流光是存在強電場情況下在非導電背景中發展的暫態絲狀放電,可以獲得高電子數密度,從而獲得與許多應用相關的高濃度化學活性物質。工業應用包括臭氧生成、污染控制以及表面處理。

流光的傳播由完全非線性動力學驅動,涉及非常陡峭的密度梯度和分佈在非常薄的層中的高空間電荷密度。該教學模型研究 -100 kV/cm 恆定電場下大氣壓水平的氮中的負流光。這是一維模型,描述了初始電子種子在未受干擾的電場中電子增長形成流光傳播的暫態特性。

A plot from the Negative Streamer in Nitrogen in 1D tutorial model.

流光傳播期間四個時刻的電子(彩色實線)和離子數密度(黑色虛線)的空間分佈

 

“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/streamer_1d

新教學模型:氯放電

含有氯的電漿放電通常用於微電子製造中的刻蝕半導體和金屬。

 

該教學模型使用全域(體積平均)擴散模型研究氯電漿放電。在運行空間相關模型的模擬時,使用全域模型耗時非常短。因此,這種模型成為研究大型反應集合擴展參數區域的理想選擇。

 

氯放電模型研究50600 W的吸收功率,工作壓力為 1 100 m 托。電子密度、電子溫度,以及氯原子密度等多個相關物理量的模擬結果與文獻中電感耦合電漿反應器中執行的測量結果非常一致。

A plot from the Chlorine Discharge tutorial model, new with COMSOL Multiphysics version 5.3.

使用全域擴散模型的反應器中氯物質和電子密度的演變

“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Global_Discharges/chlorine_global_model

新教學模型:表面化學

表面化學通常是反應流建模中被忽視的方面。該教學模型展示如何將表面反應和物種添加到化學氣相沉積 (CVD) 這類研究過程中,模擬矽在晶片上的生長。

 

初始模型中,該案例使用全域模型來研究包含複雜化學物質的廣泛參數區域。然後,建立並運行空間相關模型。仔細分析系統中的總體質量平衡,同時研究質量平均速度與擴散速度之間的差異。模型展示系統中的總質量和莫耳濃度守恆。最後,研究了沉積矽高度隨時間變化的情況。

“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Chemical_Vapor_Deposition/surface_chemistry_tutorial

新教學模型:微波微電漿

微尺度放電間隙中的電漿能夠在高壓(一個大氣壓)下運動,電子數密度(1E20 m^-3) 和功率密度(1E9 W/m^3) 都較高,同時重粒子上保持相對較低的溫度。此教學模型模擬大氣壓條件下,微波範圍內由時變電激發所維持的氬電漿。此模型在所施加的場方向上是一維的,描述了電漿多個宏觀屬性的空間和時間演變。

A plot from the Microwave Microplasma tutorial model, new with COMSOL Multiphysics version 5.3.

500RF循環期間電子密度對數的演變。該繪圖中的 y軸表示時間與激發頻率的乘積

 

“案例庫”路徑:

Plasma_Module/Capacitively_Coupled_Plasmas/microwave_microplasma