等离子体模块

模拟低温等离子体放电

等离子体是重要的多物理场系统,涉及流体力学、反应工程、物理动力学、传热、质量传递和电磁学。“等离子体模块”是 COMSOL Multiphysics® 专用的附加产品,用于模拟广泛的工程学科中出现的非平衡和平衡放电。“等离子体模块”专为处理任意系统而开发,其中提供预定义的设置用于模拟直流(DC)放电、电感耦合等离子体(ICP)、微波等离子体、电容耦合等离子体(CCP)和电晕放电。

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一个三维模型,其上方是一个方形铜线圈,图中以 Inferno 颜色表显示温度。

等离子体模块支持的建模对象

模拟等离子体受到各种电磁激励时的行为。

ICP 反应器模型的特写视图,其中显示吸收功率。

电感耦合等离子体

研究功率如何与 ICP 反应器中的等离子体进行耦合。1

CCP 反应器模型的特写视图,其中显示温度和密度。

电容耦合等离子体

使用专门的直接求解时间周期稳态问题的接口对 CCP 反应器进行建模。

ECR 等离子体源模型的特写视图,其中显示温度。

电子回旋共振(ECR)等离子体源

将等离子体模型与磁场和电磁波相耦合,为 ECR 等离子体源进行建模。1,2

显示电阻热的一维绘图的特写视图。

微波激发的等离子体

研究等离子体中微波加热的影响。2

直流放电模型的特写视图,其中显示等离子体密度。

直流放电

模拟由直流电压或电流维持的放电。

电晕放电模型的特写视图,其中显示负离子密度。

电晕放电

计算电晕放电中带电物质的空间分布。

两个球体的特写视图,其中显示电击穿。

电击穿

检测高压直流系统是否会导致气体击穿。

静电除尘器模型的特写视图,其中显示电场和粒子轨迹。

静电除尘器

跟踪带电粒子轨迹并计算静电除尘器的传输概率。3

直流等离子体弧模型的特写视图,其中显示温度。

等离子体弧

模拟等离子体弧和周围材料的温度分布。1

ICP 等离子体炬模型的特写视图,其中显示温度。

ICP 炬

研究 ICP 炬在大气压下的电气和热特性。1

显示时间演化和约化电场的一维绘图。

等离子体全局模型

通过用于快速参数化和复杂化学反应的全局模型(包括玻尔兹曼方程)对等离子体反应器进行建模。

显示电子能量分布函数的一维绘图。

电子能量分布函数(EEDF)

计算 EEDF 并得到用于流体等离子体模型的电子传递参数和源项。

两个 ICP 反应器绘图的特写视图,其中显示吸收功率。

等离子体均匀性的优化

优化 ICP 反应器的线圈设计和定位以获得等离子体均匀性。4

显示离子能量分布的一维绘图。

离子能量分布函数

计算表面的离子能量分布函数。3

  1. 需要“AC/DC 模块”
  2. 需要“RF 模块”
  3. 需要“粒子追踪模块”
  4. 需要“优化模块”

等离子体模块的特征和功能

“等离子体模块”提供专门的工具用于模拟低温等离子体和热等离子体。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“等离子体”节点,并显示其对应的“设置”窗口。

非平衡等离子体

“等离子体模块”提供内置的用户接口,用于模拟由稳态或时变电场维持的低温等离子体反应器;其中每个接口都可定义域方程组、边界条件、初始条件、预定义网格、带有稳态和瞬态分析求解器设置的预定义研究,以及预定义的绘图和派生值。所有物质(电子、离子和中性物质)的输运方程都通过泊松方程自洽求解。电子的平均能量方程也可以通过以下方式进行求解:模拟电子如何从电场获得能量并在与背景气体的碰撞中损失能量。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“电子碰撞反应”节点;“图形”窗口中显示“无极灯”模型。

等离子体化学反应

等离子体的化学性质对于获得真实的仿真结果极为重要。您可以使用“等离子体模块”来定义电子碰撞反应、重物质之间的反应和表面反应。

等离子体的化学性质决定了电子在与背景气体的碰撞中如何失去或获得能量。“等离子体模块”提供了专门的特征用于模拟可能导致电离、激发和附着的电子碰撞反应。用户可以基于横截面数据来定义电子碰撞反应,并可以通过对电子能量分布函数进行适当的积分来获得源项。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“等离子体电导耦合”节点;“图形”窗口中显示 ICP 反应器模型。

用于 ICP 反应器建模的多物理场接口

电感耦合等离子体 多物理场接口1 用于研究由感应电流维持的放电。这个多物理场接口将等离子体电导率从等离子体 接口连接到磁场 接口,并将感应电流产生的电子加热耦合回等离子体 接口。其中在频域中求解磁场,并在时域中求解等离子体。

“添加物理场”窗口的特写视图,其中突出显示“平衡电感耦合等离子体”节点;“图形”窗口中显示 ICP 炬模型。

用于平衡放电建模的多物理场接口

“等离子体模块”包含用于模拟热力学平衡的等离子体的接口。在热力学平衡中,电子和重物质具有相同的温度,等离子体可以用单一温度来表征。为了模拟这种条件下的等离子体,本模块提供多个基于电激励类型的平衡放电 接口:平衡直流放电平衡电感耦合等离子体 1感应/直流耦合放电 1。这些接口在磁流体力学方法中将等离子体描述为具有一个温度的单一流体。平衡放电 接口可以将流体流动、传热、磁场和电流接口进行耦合。等离子体物理场通过多物理场耦合特征引入,这些特征可以通过等离子体属性(例如电导率、热容、辐射传热等)将特定的热源纳入流体中。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“壁”节点,并显示其对应的“设置”窗口。

等离子体-表面相互作用的边界条件

作为“等离子体模块”内置用户界面的一部分,其中提供多种边界条件来描述等离子体与表面的相互作用。例如,用户可以通过应用 特征来轻松定义表面的电子密度和能流,将传输损耗引入电子输运方程。不仅如此,用户还可以在表面上包含其他通量源,例如二次电子发射和一般电子通量。

带电粒子的通量在电极处自动计算,并可以进行添加以模拟外部电路。如果电介质与等离子体接触,则可以根据表面带电物质的通量来计算表面电荷累积。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“热源”节点;“图形”窗口中显示热等离子体模型。

背景气体的 CFD 和传热分析

等离子体 接口可以与流动和传热接口相结合,对背景气体流动和加热进行建模。此外,用户还可以模拟等离子体周围材料的传热情况。电子从场中获得能量,并在与背景气体的碰撞中失去能量。如果压力足够高,这种机制会导致重要的气体和表面加热。等离子体 接口自动计算等离子体反应产生的热源,并使其可用于“传热”接口。黏度和密度等流体属性也在等离子体 接口中进行计算,并可以在“流体流动”接口中使用。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“等离子体,时间周期”节点;“图形”窗口中显示 GEC 模型。

用于 CCP 反应器建模的物理场接口

“等离子体模块”包含一种专门的数值方法,用于对 CCP 进行建模,与传统方法相比,该方法可以大幅缩短所需的计算时间。周期稳态解不是在时域中求解,而是通过在基础数学方程中添加一个额外维度进行计算。这个额外维度方程表示一个射频周期,并强制执行周期性边界条件。这样就可以避免必须求解数万或数十万个射频周期,这通常需要很长时间才能使等离子体达到周期稳态解。这种方法不仅可以保持模型的所有非线性,还可以明显减少计算时间。

“等离子体电导耦合”设置的特写视图,“图形”窗口中显示微波等离子体源模型。

用于微波等离子体建模的多物理场接口

微波等离子体 多物理场接口2 用于研究由电磁波维持的放电(波加热放电)。当您选择此接口时,软件会自动生成等离子体 接口和电磁波 接口以及多物理场耦合。等离子体电导耦合 特征可以将等离子体电导率耦合到电磁波 接口,而电子热源 接口可以将产生的电子热耦合回等离子体 接口。其中在频域中求解电磁波,并在时域中求解等离子体。

  1. 需要“AC/DC 模块”
  2. 需要“RF 模块”

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