Плазмохимическое моделирование разрядов в газах SF6 и O2

  1. Разработана  самосогласованная численная модель для симуляций параметров плазмы гексафторида серы (рис. 1) и кислорода в современной программной среде Comsol Multiphysics, которая:
  • учитывает объемные процессы взаимодействия возбужденных и заряженных частиц, процессы пространственного переноса в диффузионо-дрейфовом приближении и уравнение Пуассона для нахождения самосогласованного электрического поля;
  • учитывает 7 сортов положительных ионов, 7 сортов отрицательных ионов, 9 сортов тяжелых нейтральных частиц и подробный набор из 94 элементарных реакций между ними (Таблица -1). 

Таблица 1. Элементы нелокальной плазмы, учитываемые в рамках модели  разряда в тетра фториде серы (модель учитывает 96 плазмохимических реакций)

Нейтральные Частицы

Отрицательные ионы

Положительные ионы

SF6

SF6-

SF5+

SF5

SF5-

SF4+

SF4

SF4-

SF3+

SF3

SF3-

SF2+

SF2

SF2-

SF+

SF

F-

F+

S

F2-

S+

F

 

 

F2

 

 

 
  1. Выполнено численного моделирование параметров в широком диапазоне давлений газа от 10 мТорр до 8 Торр. Установлено, что положительные ионы почти полностью представлены ионом , а отрицательные ионы примерно поровну представлены ионами  и  плотности прочих сортов ионов оказываются пренебрежимо малы.
  2. Проведен детальный анализ пространственного распределения параметров плазмы как низкого (10 мТорр), так и высокого (3 Торр) давлений; показано, что:
  • при низких давлениях больцмановское распределение выполняется как для электронов, так и для отрицательных ионов, что приводит к расслоению плазмы на две области и практически плоскому профилю концентрации электронов и потенциала;
  • при высоких давлениях профиль самосогласованного электрического поля определяется не только электронами, как в обычной плазме, а положительными и отрицательными ионами, что приводит к аномально малому перепаду потенциала в плазме, который определяется уже не электронной, а ионной  температурой.
  1. Обнаружено требующее дополнительного исследования парадоксальное явление изменения  знака перепада потенциала между центром разряда и стенкой, связанное с немонотонностью ионных профилей при высоких давлениях газа.

 

  1. Проведены аналогичные работы по моделированию нелокальной плазмы, возникающей в тлеющем разряде в  кислороде, указывающие на существование условий, при которых  рассматриваемая система может быть описана в рамках приближения ион-ионной плазмы.

 

Рис. 1. Молекула тетра фторида серы.

 

Рис. 2. Временные зависимости концентраций тяжелых нейтральных частиц в разряде в SF6 в плоскости симметрии  при давлении p=20мТорр и мощности . Цифрами обозначены следующие концентрации : 1 - SF6, 2 – F2, 3 - F, 4 -  SF5, 5 – SF4,  6 – SF3, 7 – SF2, 8 - SF, 9 – S.

Рис. 3. Временные зависимости концентраций электронов (черный) и суммарных концентраций положительных (синий) и отрицательных (красный) в плоскости симметрии ( ) при давлении p=20мТорр и мощности .

 


Рис. 4.   Пространственные профили заряженных частиц в разряде в кислороде  (красный – электроны, синий –положительные ионы, фиолетовый – отрицательныу ионы), температуры электронов  и потенциала  для p =20 мТорр и .