Чисельне моделювання динаміки ВЧ ємнісного розряду у вуглекислому газі
Анотація
У цій роботі одновимірний гідродинамічний код SIGLO-rf було використано для дослідження внутрішніх параметрів ВЧ ємнісного розряду у вуглекислому газі. Проведено моделювання середніх за часом та просторово-часових профілів параметрів розряду. Для цього чисельно розв’язано рівняння балансу концентрації для кожного з видів заряджених частинок та рівняння балансу енергії електронів, які були доповнені також рівнянням Пуассона для електричного потенціалу. За допомогою цього коду SIGLO-rf в діапазоні відстаней між електродами d = 0.04 – 8 cm, частот ВЧ електричного поля f = 3.89 – 67.8 MHz та значень тиску вуглекислого газу p = 0.1 – 9.9 Torr розраховано середні за ВЧ період осьові профілі густини електронів, позитивних та негативних іонів, а також потенціалу та напруженості електричного поля. Показано, що розрядна плазма в CO2 містить електрони, позитивні іони, а також негативні іони. Вони утворилися при дисоціативному прилипанні електронів до молекул CO2 й є негативними іонами атомарного кисню. Зазвичай плазма ВЧ ємнісного розряду є фактично іон-іонною, тому що концентрація вільних електронів у декілька десятків разів менша за концентрацію негативних іонів. Негативні іони накопичуються у плазмі завдяки утриманню в середній за часом потенціальній ямі, що призводить до зменшення потенціалу плазми. Дослідження просторово-часової динаміки параметрів плазми (густини електронів, потенціалу та напруженості електричного поля, а також швидкостей іонізації та прилипання) у ВЧ ємнісному розряді в CO2 показали, що протягом однієї половини ВЧ періоду зазвичай спостерігаються від 1 до 3 сплесків іонізації. Вони відповідають стохастичному нагріву у приелектродному шарі, що є у катодній фазі й межує з тимчасовим негативним електродом, та формуванню пасивного та активного подвійних шарів біля меж приелектродних шарів. Пасивний подвійний шар знаходиться біля межі приелектродного шару у катодній фазі й підтримує розрядну плазму. Активний шар формується біля межі приелектродного шару в анодній фазі й забезпечує баланс позитивного та негативного зарядів, що надходять в електрод протягом усього ВЧ періоду. З’ясовано, що при одночасному виконанні умов pd = 2 Torr cm and fd = 27.12 MHz cm протягом половини ВЧ періоду спостерігаються 4 інтенсивних іонізаційних піки: внаслідок стохастичного нагріву, а також формування пасивного, активного та додаткового (допоміжного) подвійних шарів. Додатковий подвійний шар сприяє підведенню електронів до поверхні тимчасового анода й виникає поблизу його поверхні всередині приелектродного шару. За допомогою закону подібності перевірено умови існування цих 4 піків іонізації в широкому діапазоні ВЧ частот f, значень тиску вуглекислого газу p та відстаней між електродами d.
Завантаження
Посилання
A. Lieberman, and A.J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, 2nd ed. (Wiley, Hoboken, USA, 2005). https://doi.org/10.1002/0471724254
Yu.P. Raizer, M.N. Shneider, and N.A. Yatsenko, Radio-frequency Capacitive Discharges (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995).
J. Reece Roth, Industrial Plasma Engineering. vol. 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing (Bristol, IOP Publishing, 2001).
P. Chabert, and N. Braithwaite, Physics of Radio-Frequency Plasmas (Cambridge University Press, Cambridge, 2011).
M. Keidar, and I. Beilis, Plasma Engineering (Academic Press, London, 2018).
G. Colonna, and A. D'Angola, Plasma Modeling: Methods and applications (IOP Publishing, Bristol, 2022).
J.F. Friedrich, and J. Meichsner, Nonthermal Plasmas for Materials Processing: Polymer Surface Modification and Plasma Polymerization (Wiley-Scrivener, Hoboken, 2022).
L. Bardos, and H. Barankova, Microwave Plasma Sources and Methods in Processing Technology (Hoboken, Wiley-IEEE Press, 2022).
T. Shao, and Ch. Zhang, editors, Pulsed Discharge Plasmas: Characteristics and Applications (Springer, Singapore, 2023).
Ph. Belenguer, and J.P. Boeuf, Physical Review A, 41, 4447 (1990), https://doi.org/10.1103/PhysRevA.41.4447
V.A. Godyak, R.B. Piejak, and B.M. Alexandrovich, IEEE Transactions on Plasma Science, 19, 660 (1991). https://doi.org/10.1109/27.90309
V.A. Lisovskii, Technical Physics Letters, 24, 308 (1998). https://doi.org/10.1134/1.1262093
V. Lisovskiy, J.-P. Booth, S. Martins, K. Landry, D. Douai, and V. Cassagne, Europhysics Letters 71, 407 (2005). https://doi.org/10.1209/epl/i2005-10108-1
V. Lisovskiy, A. Minenkov, S. Dudin, S. Bogatyrenko, P. Platonov, and V. Yegorenkov, ACS Omega 7, 47941 (2022). https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05846
S.Y. Moon, J.K. Rhee, D.B. Kim, and W. Choe, Physics of Plasmas, 13, 033502 (2006), https://doi.org/10.1063/1.2177590
V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, and V. Yegorenkov, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 6631 (2007). https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/21/023
V. Lisovskiy, J.-P. Booth, J. Jolly, S. Martins, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, and V. Yegorenkov, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 6989 (2007), https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/22/020
V. Lisovskiy, V. Yegorenkov, E. Artushenko, J.-P. Booth, S. Martins, K. Landry, D. Douai, and V. Cassagne, Plasma Sources Sci. Technol. 22, 015018 (2013). https://doi.org/10.1088/0963-0252/22/1/015018
V. Godyak, Phys. Plasmas, 27, 013504 (2020). https://doi.org/10.1063/1.5122957
M.A. Lieberman, IEEE Trans. Plasma Sci. 17, 338 (1989). https://doi.org/10.1109/27.24645
M.A. Lieberman, IEEE Trans. Plasma Sci. 16, 638 (1988). https://doi.org/10.1109/27.16552
A.J. Lichtenberg, V. Vahedi, M.A. Lieberman, and T. Rognlien, J. Appl. Phys. 75, 2339 (1994). https://doi.org/10.1063/1.356252
F. Hamaoka, T. Yagisawa, and T. Makabe, J. Phys: Conf. Series 86, 012018 (2007). https://doi.org/10.1088/1742-6596/86/1/012018
V.I. Kolobov, R.R. Arslanbekov, D. Levko, and V.A. Godyak, J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 25LT01 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab7ca0
J.P. Verboncoeur, M. Alves, V. Vahedi, and C. Birdsall, Simultaneous potential and circuit solution for 1D bounded plasma particle simulation codes J. Comput. Phys. 104, 321 (1993). https://doi.org/10.1006/jcph.1993.1034
V. Vahedi, C.K. Birdsall, M.A. Lieberman, G. DiPeso, and T.D. Rognlien, Plasma Sources Sci. Technol. 2, 273 (1993). https://doi.org/10.1088/0963-0252/2/4/007
T. Lafleur, P. Chabert, and J.P. Booth, Plasma Sources Sci. Technol. 23, 035010 (2014). https://doi.org/10.1088/0963-0252/23/3/035010
E. Kawamura, M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, and P. Chabert, J. Vac. Sci. Technol. A, 38, 023003 (2020). https://doi.org/10.1116/1.5135575
J.T. Gudmundsson, J. Krek, D.-Q. Wen, E. Kawamura, and M.A. Lieberman, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 125011 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac3ba1
Z. Donkó, Plasma Sources Sci. Technol. 20, 024001 (2011). https://doi.org/10.1088/0963-0252/20/2/024001
J. Schulze, E. Schüngel, A. Derzsi, I. Korolov, Th. Mussenbrock, and Z. Donkó, IEEE Trans. Plasma Sci. 42, 2780 (2014). https://doi.org/10.1109/TPS.2014.2306265
M. Vass, S. Wilczek, T. Lafleur, R. P. Brinkmann, Z. Donko, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 085014 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-6595/aba111
D.A. Schulenberg, I. Korolov, Z. Donko, A. Derzsi, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 105003 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac2222
D.-Q.Wen, J. Krek, J. T. Gudmundsson, E. Kawamura, M. A. Lieberman, P. Zhang, and J. P. Verboncoeur, Plasma Sources Sci. Technol. 32, 064001 (2023). https://doi.org/10.1088/1361-6595/acd6b4
A. Derzsi, B. Horváth, Z. Donkó, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 074001 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab9156
S. Rauf, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 095019 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-6595/abac4a
L. Wang, P. Hartmann, Z. Donkó, Y.-H. Song, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 085011 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6595/abf206
L. Wang, P. Hartmann, Z. Donkó, Y.-H. Song, and J. Schulze, J. Vac. Sci. Technol. A 39, 063004 (2021). https://doi.org/10.1116/6.0001327
S. Sharma, S. Patil, S. Sengupta, A. Sen, A. Khrabrov, and I. Kaganovich, Phys. Plasmas, 29, 063501 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0094409
A. Picard, G. Turban, and B. Grolleau, J. Phys. D: Appl. Phys. 19, 991 (1986). https://doi.org/10.1088/0022-3727/19/6/014
N. Nakano, N. Shimura, Z. Lj. Petrovic, and T. Makabe, Phys. Rev. E, 49, 4455 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.49.4455
Y.T. Lee, M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, F. Bose, H. Baltes, and R. Patrick, J. Vac. Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces and Films, 15, 113 (1997). https://doi.org/https://doi.org/.1116/1.580452
M. Shibata, T. Makabe, and N. Nakano, Jpn. J. Appl. Phys. 37, 4182 (1998). https://doi.org/10.1143/JJAP.37.4182
V.A. Lisovskiy and V.D. Yegorenkov, Vacuum, 80, 458 (2006). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2005.07.038
J. Schulze, A. Derzsi, K. Dittmann, T. Hemke, J. Meichsner, and Z. Donkó, Phys. Rev. Lett. 107, 275001 (2011). https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.107.275001
E. Kawamura, A.J. Lichtenberg, and M.A. Lieberman, J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 495201 (2012). https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/49/495201
V. Lisovskiy, and V. Yegorenkov, EPL, 99, 35002 (2012). https://doi.org/10.1209/0295-5075/99/35002
A. Proto, and J.T. Gudmundsson, J. Appl. Phys. 128, 113302 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0019340
A. Proto, and J.T. Gudmundsson, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 065009 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6595/abef1d
A. Derzsi, P. Hartmann, M. Vass, B. Horváth, M. Gyulai, I. Korolov, J. Schulze, and Z. Donko, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 085009 (2022). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac7b45
C. Harvey, N. Sirse, C. Gaman, and A. R. Ellingboe, Phys. Plasmas, 27, 110701 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0022844
A. Derzsi, M. Vass, R. Masheyeva, B. Horváth, Z. Donkó, and P. Hartmann, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 025005 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad1fd5
R. Masheyeva, M. Vass, X.-K. Wang, Y.-X. Liu, A. Derzsi, P. Hartmann, J. Schulze, and Z. Donkó, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 045019 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad3c69
R.A. Gottscho, Phys. Rev. A 36, 2233 (1987). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.36.2233
R.A. Gottscho, and C.E. Gaebe, IEEE Trans. Plasma Sci. PS-14, 92 (1986). https://doi.org/10.1109/TPS.1986.4316511
J.-P. Boeuf, Phys. Rev. A, 36, 2782 (1987). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.36.2782
J. P. Boeuf, and P. Belenguer, in Nonequilibrium Processes in Partially Ionized Gases, edited by M. Capitelli and J. N. Bardsley (Springer, New York, 1990). pp. 155–186. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3780-9_9
J.P. Boeuf, and L.C. Pitchford, Phys. Rev. E, 51, 1376 (1995). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.51.1376
P. Vitruk, H. Baker, and D. Hall, IEEE J. Quantum Electronics, 30, 1623 (1994). https://doi.org/10.1109/3.299494
G.A.J. Markille, J.J. Baker, J.G. Betterton, and D.R. Hall, IEEE J. Quantum Electronics, 35, 1134 (1999). https://doi.org/10.1109/3.777212
R. Engelbrecht, R. Schulz, G. Seibert, J. Hagen, and L.-P. Schmidt, Frequenz, 59, 154 (2005). https://doi.org/10.1515/freq.2005.59.5-6.154
O. Svelto, Principles of lasers, (Springer, New York, 2009). 604 p.
A. Bogaerts, T. Kozak, K. van Laer, and R. Snoeckx, Faraday Discuss. 183, 217 (2015). https://doi.org/10.1039/C5FD00053J
T. Kozak, and A. Bogaerts, Plasma Sources Sci. Technol. 24, 015024 (2014). https://doi.org/10.1088/0963-0252/24/1/015024
R. Snoeckx, and A. Bogaerts, Chem. Soc. Rev. 46, 5805 (2017). https://doi.org/10.1039/C6CS00066E
A. Bogaerts, and G. Centi, Frontiers in Energy Research, 8, 111 (2020). https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00111
G. Chen, R. Snyders, and N. Britun, J. CO2 Utilization, 49, 101557 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2021.101557
S. Dudin, V. Lisovskiy, P. Platonov, and S. Rezunenko, Problems of Atomic Science and Technology, 6(142), 84 (2022). https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2022_6/article_2022_6_84.pdf
V.A. Lisovskiy, S.V. Dudin, P.P. Platonov, and V.D. Yegorenkov, East European J. Phys. (4), 152 (2021). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-4-20
V.A. Lisovskiy, S.V. Dudin, P.P. Platonov, and V.D. Yegorenkov, Problems of atomic science and technology, 6(130), 179 (2020). https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2020_6/article_2020_6_179.pdf
A.S. Morillo-Candas, V. Guerra, and O. Guaitella, J. Phys. Chem. C, 124, 17459 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c03354
R. Vertongen, G. Trenchev, R. Van Loenhout, and A. Bogaerts, J. CO2 Utilization, 66, 102252 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2022.102252
Q. Fu, Y. Wang, and Zh. Chang, J. CO2 Utilization, 70, 102430 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2023.102430
E.R. Mercer, S. Van Alphen, C.F.A.M. van Deursen, T.W.H. Righart, W.A. Bongers, R. Snyders, A. Bogaerts, et al., Fuel, 334, 126734 (2023). https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.126734
S. Kelly, E. Mercer, Y. Gorbanev, I. Fedirchyk, C. Verheyen, K. Werner, P. Pullumbi, A. Cowley, and A. Bogaerts. J. CO2 Utilization, 80, 102668 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2024.102668
Y. Long, X. Wang, H. Zhang, K. Wang, W.-L. Ong, A. Bogaerts, K. Li, et al., JACS Au, 4, 7 2462 (2024). https://doi.org/10.1021/jacsau.4c00153
G.J.M. Hagelaar and L.C. Pitchford, Plasma Sources Sci. Technol. 14, 722 (2005). https://doi.org/10.1088/0963-0252/14/4/011
L.C. Pitchford, L.L. Alves, K. Bartschat, S.F. Biagi, M.C. Bordage et al., Plasma Process. Polym. 14, 1600098 (2017). https://doi.org/10.1002/ppap.201600098
Y. Itikawa, J. Phys. Chem. Reference Data, 31, 749 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1481879
V.A. Lisovskiy, S.V. Dudin, P.P. Platonov, and V.D. Yegorenkov, Physica Scripta, 98, 025601 (2023). https://doi.org/10.1088/1402-4896/acae48
H.W. Ellis, R.Y. Pai, E.W. McDaniel, E.A. Mason, and L.A. Viehland, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 17, 177 (1976). https://doi.org/10.1016/0092-640X(76)90001-2
P. Coxon, and J. Moruzzi, J. Phys. Colloques, 40, 117 (1979). https://doi.org/10.1051/jphyscol:1979758
E.W. McDaniel, and H. Crane, Rev. Sci. Instruments, 28, 684 (1957). https://doi.org/10.1063/1.1715976
W.L. Nighan, and W.J. Wiegand, Phys. Rev. A, 10, 922 (1974). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.10.922
C.S. Weller, and M.A. Biondi, Phys. Rev. Lett. 19, 59 (1967). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.19.59
Yu.P. Raizer, Gas discharge physics, (Springer, Berlin, 1991).
T.D. Fansler, L.M. ColonnaRomano, and R.N. Varney, J. Chem. Phys. 66, 3246 (1977). https://doi.org/10.1063/1.434300
V. Lisovskiy, S. Dudin, A. Shakhnazarian, P. Platonov, and V. Yegorenkov, Problems of Atomic Science and Technology, 4(129), (2023). https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2023_4/article_2023_4_129.pdf
V.A. Lisovskiy, S.V. Dudin, M.M. Vusyk, R.O. Osmayev, V.D. Yegorenkov, and P.P. Platonov, Problems of Atomic Science and Technology, 186, (2023). https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2023_1/article_2023_1_86.pdf
P. Capezzuto, F. Cramarossa, R. D’Agostino, and E. Molinari, J. Phys. Chem. 80, 882 (1976). https://doi.org/10.1021/j100549a024
V. Lisovskiy, J.P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, and V. Yegorenkov, Europhys. Lett. 82, 15001 (2008). https://doi.org/10.1209/0295-5075/82/15001
Y. Fu, H. Wang, and X. Wang, Rev. Modern Plasma Phys. 7, 10 (2023). https://doi.org/10.1007/s41614-022-00112-1
Y. Fu, B. Zheng, P. Zhang, Q.H. Fan, J.P. Verboncoeur, and X. Wang, Phys. Plasmas, 27, 113501 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0022788
[Y. Fu, B. Zheng, D.-Q. Wen, P. Zhang, Q.H. Fan, and J.P. Verboncoeur, Appl. Phys. Lett. 117, 204101 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0029518
Авторське право (c) 2024 Валерій Лісовський, Станіслав Дудін, Aмалія Шахназарян, Павло Платонов, Володимир Єгоренков
![Ліцезія Creative Commons](http://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png)
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).