Plasma Module

Modellare le scariche di plasma a bassa temperatura

I plasmi sono sistemi multifisici significativi che coinvolgono la meccanica dei fluidi, l'ingegneria delle reazioni, la cinetica fisica, il trasferimento di calore, il trasferimento di massa e l'elettromagnetismo. Il Plasma Module è un prodotto aggiuntivo di COMSOL Multiphysics® specializzato per la modellazione di scariche in equilibrio e non in equilibrio, che si verificano in una vasta gamma di discipline ingegneristiche. Sviluppato per gestire sistemi arbitrari, il Plasma Module fornisce impostazioni predefinite per la modellazione di scariche in corrente continua (DC), plasmi accoppiati induttivamente (ICP), plasmi a microonde, plasmi accoppiati capacitivamente (CCP) e scariche corona.

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Modello 3D con una bobina quadrata di rame sulla parte superiore che mostra la temperatura nella tabella dei colori Inferno.

Cosa si può modellare con il Plasma Module

Simulare il comportamento di plasmi soggetti a una varietà di eccitazioni elettromagnetiche.

Vista in primo piano di un modello di reattore ICP che mostra la potenza assorbita.

Plasmi accoppiati induttivamente

Studiare come la potenza si accoppia al plasma in un reattore ICP1.

Vista in primo piano di un modello di reattore CCP che mostra la temperatura e la densità.

Plasmi accoppiati capacitivamente

Modellare i reattori CCP utilizzando un'interfaccia dedicata che risolve direttamente lo stato stazionario tempo-periodico.

Vista in primo piano di un modello di sorgente di plasma ECR che mostra la temperatura.

Sorgenti di plasma a risonanza di ciclotrone elettronico (ECR)

Accoppiare un modello di plasma con campi magnetici e onde elettromagnetiche per modellare una sorgente di plasma ECR.1,2

Vista in primo piano di un grafico 1D che mostra il riscaldamento resistivo.

Plasmi eccitati da microonde

Studiare gli effetti del riscaldamento a microonde in un plasma.2

Vista in primo piano di un modello di scarica DC che mostra la densità del plasma.

Scariche di corrente continua

Simulare scariche supportate da una tensione o corrente continua.

Vista in primo piano di un modello di scarica corona che mostra la densità di ioni negativi.

Scariche corona

Calcolare la distribuzione spaziale delle specie cariche nelle scariche corona.

Vista in primo piano di due sfere che mostra la rottura elettrica.

Guasto elettrico

Rilevare se un sistema DC ad alta tensione può causare un guasto causato dal gas.

Vista in primo piano di un modello di precipitatore elettrostatico che mostra il campo elettrico e le traiettorie delle particelle.

Precipitatori elettrostatici

Tracciare le traiettorie delle particelle cariche e calcolare la probabilità di trasmissione di un precipitatore elettrostatico.3

Vista in primo piano di un modello di arco di plasma DC che mostra la temperatura.

Archi di plasma

Simulare la distribuzione della temperatura in un arco di plasma e nei materiali circostanti.1

Vista in primo piano di un modello di torcia al plasma ICP che mostra la temperatura.

Torce ICP

Studiare le caratteristiche elettriche e termiche di una torcia ICP a pressione atmosferica.1

Grafico 1D che mostra l'evoluzione temporale e il campo elettrico ridotto.

Modelli globali di plasma

Modellare i reattori al plasma usando modelli globali per parametrizzazioni veloci e chimiche complesse, inclusa l'equazione di Boltzmann.

Grafico 1D che mostra le funzioni di distribuzione dell'energia degli elettroni.

Funzioni di distribuzione dell'energia degli elettroni (EEDF)

Calcolare le EEDF e ottenere i parametri di trasporto degli elettroni e i termini sorgente per l'uso nei modelli di plasma fluido.

Vista in primo piano di due diagrammi del reattore ICP che mostrano la potenza assorbita.

Ottimizzazione dell'uniformità del plasma

Ottimizzare il design della bobina e il posizionamento di un reattore ICP per ottenere l'uniformità del plasma.4

Grafico 1D che mostra la distribuzione dell'energia degli ioni.

Funzione di distribuzione dell'energia degli ioni

Calcolare la funzione di distribuzione dell'energia degli ioni sulle superfici.3

  1. Richiede l'AC/DC Module
  2. Richiede l'RF Module
  3. Richiede il Particle Tracing Module
  4. Richiede l'Optimization Module

Caratteristiche e funzionalità del Plasma Module

Il Plasma Module fornisce strumenti specializzati per la modellazione di plasmi a bassa temperatura e termici.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Plasma evidenziato e la corrispondente finestra Settings.

Plasmi non in equilibrio

Il Plasma Module fornisce interfacce utente integrate per la modellazione di reattori al plasma a bassa temperatura che sono sostenuti da un campo elettrico statico o variabile nel tempo. Ciascuna di queste interfacce definisce insiemi di equazioni di dominio, condizioni al contorno, condizioni iniziali, mesh predefinite e studi predefiniti con impostazioni del solutore per analisi stazionarie e transitorie, così come grafici predefiniti e valori derivati. Le equazioni di trasporto per tutte le specie (elettroni, ioni e neutri) sono risolte in modo autoconsistente con l'equazione di Poisson. L'equazione dell'energia media degli elettroni può anche essere risolta modellando il modo in cui gli elettroni guadagnano energia dal campo elettrico e perdono energia nelle collisioni con il gas di fondo.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electron Impact Reaction evidenziato e un modello di lampada senza elettrodi nella finestra Graphics.

Reazioni della chimica del plasma

La chimica del plasma è estremamente importante per ottenere risultati di simulazione realistici. Con il Plasma Module, puoi definire reazioni di collisione degli elettroni, reazioni tra specie pesanti e reazioni di superficie.

La chimica del plasma determina il modo in cui gli elettroni perdono o guadagnano energia nelle collisioni con il gas di fondo. Il Plasma Module offre funzioni dedicate alla modellazione delle reazioni di collisione degli elettroni che possono risultare in ionizzazione, eccitazione e adesione. Le reazioni di collisione degli elettroni possono essere definite dai dati della sezione d'urto, e i termini della sorgente possono essere ottenuti mediante un'adeguata integrazione sulle funzioni di distribuzione dell'energia degli elettroni.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Plasma Conductivity Coupling evidenziato e un modello di reattore ICP nella finestra Graphics.

Interfaccia multifisica per la modellazione di reattori ICP

L'interfaccia multifisica Inductively Coupled Plasma1 è usata per studiare le scariche che sono sostenute da correnti di induzione. Questa interfaccia multifisica collega la conduttività del plasma dall'interfaccia Plasma all'interfaccia Magnetic Fields e accoppia il risultante riscaldamento degli elettroni dovuto alle correnti di induzione all'interfaccia Plasma. Il campo magnetico è risolto nel dominio della frequenza e il plasma è risolto nel dominio del tempo.

Vista in primo piano della finestra Add Physics con il nodo Equilibrium Inductively Coupled Plasma evidenziato e un modello di torcia ICP nella finestra Graphics.

Interfacce multifisiche per la modellazione di scariche in equilibrio

Il Plasma Module include interfacce per la modellazione di plasmi in equilibrio termodinamico. In equilibrio termodinamico, gli elettroni e le specie pesanti hanno la stessa temperatura e il plasma può essere caratterizzato da una singola temperatura. Per modellare i plasmi in tali condizioni, il Plasma Module offre diverse interfacce Equilibrium Discharge basate sul tipo di eccitazione elettrica: Equilibrium DC Discharge, Equilibrium Inductively Coupled Plasma1 e Combined Inductive/DC Discharge1. Queste interfacce descrivono il plasma come un singolo fluido con una temperatura in un approccio magnetoidrodinamico. Le interfacce Equilibrium Discharge accoppiano il campo di moto, il trasferimento di calore, i campi magnetici e le correnti elettriche. La fisica del plasma è introdotta da funzioni di accoppiamento multifisico che incorporano specifiche fonti di calore nel fluido e attraverso le proprietà del plasma, come la conduttività elettrica, la capacità termica, il trasferimento di calore per radiazione e altro.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Wall evidenziato e la corrispondente finestra Settings.

Condizioni al contorno per le interazioni plasma–superficie

Tra le interfacce utente incorporate nel Plasma Module, ci sono una varietà di condizioni al contorno per descrivere come un plasma interagisca con una superficie. Per esempio, la densità di elettroni e i flussi di energia su una superficie sono facilmente definiti applicando la funzione Wall. Questa caratteristica introduce le perdite per trasporto nelle equazioni di trasporto degli elettroni. È possibile includere ulteriori fonti di flusso come l'emissione di elettroni secondari e flussi di elettroni generici su una superficie.

I flussi di particelle cariche sono calcolati automaticamente agli elettrodi e possono essere aggiunti per modellare circuiti esterni. Se un dielettrico è in contatto con il plasma, l'accumulo di carica superficiale può essere calcolato dai flussi di specie cariche sulla superficie.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Heat Source evidenziato e un modello di plasma termico nella finestra Graphics.

Analisi CFD e del trasferimento di calore dei gas di fondo

L'interfaccia Plasma può essere combinata con le interfacce di fluidodinamica e di trasferimento di calore per modellare il moto e il riscaldamento dei gas di fondo. Si può anche simulare il trasferimento di calore nei materiali che circondano un plasma. Gli elettroni guadagnano energia dal campo e la perdono nelle collisioni con il gas di fondo. Se la pressione è abbastanza alta, questo meccanismo può portare ad un importante riscaldamento del gas e della superficie. L'interfaccia Plasma calcola automaticamente la fonte di calore risultante dalle reazioni del plasma e la rende disponibile per essere utilizzata nelle interfacce di trasferimento del calore. Anche le proprietà dei fluidi come la viscosità e la densità sono calcolate nell'interfaccia Plasma e rese disponibili per essere utilizzate nelle interfacce di fluidodinamica.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Plasma, Time Periodic evidenziato e un modello GEC nella finestra Graphics.

Interfaccia fisica per la modellazione di reattori CCP

Il Plasma Module include un metodo numerico specializzato per la modellazione di CCP con tempi di calcolo significativamente più veloci dei metodi tradizionali. Invece di risolvere nel dominio del tempo, la soluzione periodica allo stato stazionario è calcolata aggiungendo una dimensione extra alle equazioni matematiche sottostanti. Questa equazione extra dimensionale rappresenta un ciclo RF e impone condizioni periodiche al contorno. Questo evita di dover risolvere per decine o centinaia di migliaia di cicli RF, che tipicamente richiede molto tempo prima che il plasma raggiunga la soluzione periodica allo stato stazionario. Questo approccio mantiene tutta la non linearità del modello mentre riduce drasticamente il tempo di calcolo.

Vista in primo piano delle impostazioni di Plasma Conductivity Coupling e un modello di sorgente di plasma a microonde nella finestra Graphics.

Interfaccia multifisica per la modellazione di plasmi a microonde

L'interfaccia multifisica Microwave Plasma2 è usata per studiare scariche alimentate da onde elettromagnetiche (scariche termiche da onde). Quando si seleziona questa interfaccia, un'interfaccia Plasma e un'interfaccia Electromagnetic Waves sono generate automaticamente, così come gli accoppiamenti multifisici. La funzione Plasma Conductivity Coupling accoppia la conduttività del plasma all'interfaccia Electromagnetic Waves, e la funzione Electron Heat Source accoppia il riscaldamento degli elettroni risultante all'interfaccia Plasma. Le onde elettromagnetiche sono risolte nel dominio della frequenza e il plasma è risolto nel dominio del tempo.

  1. Richiede l'AC/DC Module
  2. Richiede l'RF Module

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