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.