 |
تخلیه کرونا با فشار اتمسفر در هوا
معرفی
این مثال مطالعه ای از تخلیه تاج DC کواکسیال در هوای خشک در فشار اتمسفر را ارائه می دهد. ابعاد و شرایط عملکرد مشابه مواردی است که در رسوب‌دهنده‌های الکترواستاتیک با پیکربندی سیم به صفحه یافت می‌شود. شعاع الکترود داخلی 100 میکرومتر و فاصله بین الکترودها 10 سانتی متر است. شبیه‌سازی‌های ارائه‌شده برای رژیم‌های حالت پایدار با تخلیه پایدار با 10 کیلو ولت اعمال شده به الکترود داخلی در حالی که الکترود بیرونی زمین است، هستند. تاکید بر ایجاد و انتقال ذرات باردار و چگونگی تبدیل آن به مشخصه جریان-ولتاژ تخلیه شده است.
تعریف مدل
شکل 1 مقطعی از هندسه مدل را نشان می دهد. تخلیه در جهت شعاعی منتشر و یکنواخت فرض می شود. این مدل در جهت شعاعی بین الکترودها یک بعدی است و رفتار گونه های باردار را با استفاده از معادلات نوع سیال توصیف می کند. فرض می کنیم که دمای گاز و چگالی عدد هوا ثابت است. دمای گاز روی 600 کلوین نگه داشته می شود.
این مدل معادلات پیوستگی و تکانه الکترون و یون‌ها را در تقریب رانش- انتشار، به طور خودسازگار با معادله پواسون حل می‌کند. تقریب میدان محلی استفاده می‌شود، به این معنی که ضرایب انتقال و منبع به خوبی از طریق میدان الکتریکی کاهش‌یافته ( E/N ) پارامتر می‌شوند . در تقریب میدان محلی، معادله سیال برای انرژی الکترون متوسط حل نشده است، که پیچیدگی مسئله عددی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
تقریب میدان محلی در شرایطی معتبر است که نرخ به دست آوردن انرژی الکترون از میدان الکتریکی به صورت محلی با نرخ تلفات انرژی متعادل شود. هنگامی که این شرط برآورده می شود، گفته می شود که الکترون ها با میدان الکتریکی در تعادل محلی هستند و خواص میانگین الکترون را می توان به عنوان تابعی از میدان الکتریکی کاهش یافته بیان کرد.
مدل ارائه شده در بخش زیر برای شبیه سازی یونیزاسیون گاز خنثی و همچنین شار ذرات باردار زمانی که پتانسیل الکتریکی منفی در هادی داخلی (کاتد) اعمال می شود، استفاده می شود. میدان الکتریکی بالا تولید شده از ترکیب شعاع انحنای هادی با پتانسیل بالا و کوچک (رسانای داخلی، r i) باعث رانش الکترون و یونیزه شدن گاز خنثی اطراف کاتد می شود. یون‌های مثبت حاصل از طریق گسیل ثانویه در سطح کاتد، الکترون‌های بیشتری تولید می‌کنند. این الکترون ها از طریق ناحیه کوچکی دور از کاتد شتاب می گیرند، جایی که می توانند انرژی قابل توجهی به دست آورند. این می تواند منجر به یونیزاسیون شود که جفت الکترون-یون جدیدی ایجاد می کند. یون‌های ثانویه به سمت کاتد مهاجرت می‌کنند، جایی که الکترون‌های ثانویه بیشتری را خارج می‌کنند. این فرآیند مسئول حفظ ترشحات است.
این مدل از یک طرح بادگیر Scharfetter-Gummel برای حذف ناپایداری های عددی در چگالی عددی ذرات باردار مرتبط با روش اجزای محدود استفاده می کند. این مورد نیاز است، به ویژه در نزدیکی کاتد، جایی که شار یون به ویژه زیاد است.
شکل 1: مقطع غیرمقیاس پیکربندی کواکسیال. پتانسیل منفی (- V در ) در هادی داخلی (کاتد) اعمال می شود و الکترود بیرونی به زمین متصل می شود (آند). ناحیه سایه دار ناحیه یونیزاسیون ایجاد شده توسط توزیع بار فضایی مثبت ایجاد شده در مجاورت کاتد را نشان می دهد.
معادلات دامنه
چگالی الکترون با حل معادله رانش – انتشار برای چگالی الکترون محاسبه می شود.
(1)
جابجایی الکترون ها در اثر حرکت سیال نادیده گرفته می شود. برای اطلاعات دقیق تر در مورد انتقال الکترون به بخش تئوری برای رابط انتشار رانش در راهنمای کاربر ماژول پلاسما مراجعه کنید .
هنگام استفاده از تقریب میدان محلی، معادله چگالی الکترون حل نمی‌شود و ضرایب انتقال و منبع توسط میدان الکتریکی کاهش‌یافته ترسیم می‌شوند. در عمل، هنگام استفاده از تقریب میدان محلی یا تقریب انرژی محلی، ضرایب انتقال و منبع همچنان به عنوان تابعی از انرژی متوسط الکترون ارائه می شود. با این حال، هنگام استفاده از تقریب میدان محلی، باید تابعی ارائه شود که انرژی متوسط الکترون و میدان الکتریکی کاهش یافته را مرتبط کند.
(2) 
.
.منبع الکترونی R e بعداً تعریف می شود. انتشار الکترون از تحرک الکترون با استفاده از رابطه محاسبه می شود
(3)
ضرایب منبع در معادله فوق توسط شیمی پلاسما با استفاده از ضرایب سرعت تعیین می شود. فرض کنید که واکنش‌های M وجود دارند که به رشد یا فروپاشی چگالی الکترون و برخوردهای الکترون خنثی غیرالاستیک P کمک می‌کنند. به طور کلی 
. در مورد ضرایب سرعت، عبارت منبع الکترونی با استفاده از
. در مورد ضرایب سرعت، عبارت منبع الکترونی با استفاده از(4)
که در آن xj کسر مولی گونه هدف برای واکنش j است ، kj ضریب سرعت واکنش j است (واحد SI: m 3 / s)، و N n چگالی عدد خنثی کل (واحد SI: 1/m) است . 3 ). برای تخلیه DC بهتر است از ضرایب تاونسند به جای ضرایب سرعت برای تعریف نرخ واکنش استفاده شود. ضرایب تاونسند توصیف بهتری از آنچه در ناحیه سقوط کاتد اتفاق می افتد ارائه می دهد . 1 . هنگامی که از ضرایب تاونسند استفاده می شود، عبارت منبع الکترونی به صورت زیر داده می شود:
(5)
که αj ضریب تاونسند برای واکنش j است (واحد SI: m2 ) ، و Γe شار الکترون همانطور که در بالا تعریف شد (واحد SI: 1/(m2 · s )) است . ضرایب تاونسند می‌توانند پایداری طرح عددی را هنگامی که شار الکترون در میدان هدایت می‌شود، همانطور که در مورد تخلیه‌های DC وجود دارد، افزایش دهد.
برای گونه های غیرالکترونی، معادله زیر برای کسر جرمی هر گونه حل می شود:
(6)
برای اطلاعات دقیق در مورد انتقال گونه‌های غیرالکترونی به بخش تئوری برای رابط حمل و نقل گونه‌های سنگین در راهنمای کاربر ماژول پلاسما مراجعه کنید .
میدان الکترواستاتیک با استفاده از معادله محاسبه می شود
(7)
چگالی بار فضایی ρ به طور خودکار بر اساس شیمی پلاسما مشخص شده در مدل با استفاده از فرمول محاسبه می شود.
(8)
برای اطلاعات دقیق در مورد الکترواستاتیک به تئوری برای رابط الکترواستاتیک در راهنمای کاربر ماژول پلاسما مراجعه کنید .
شرایط مرزی
الکترون ها به دلیل حرکت تصادفی در چند مسیر آزاد متوسط دیوار به دیوار گم می شوند و به دلیل اثرات گسیل ثانویه به دست می آیند و در نتیجه شرایط مرزی برای شار الکترون ایجاد می شود.
(9)
عبارت دوم در سمت راست معادله 9 ، افزایش الکترون ها به دلیل اثرات گسیل ثانویه است، γ p ضریب انتشار ثانویه است. برای گونه‌های سنگین، یون‌ها به دلیل واکنش‌های سطحی و این واقعیت که میدان الکتریکی به سمت دیوار هدایت می‌شود، به دیواره از بین می‌رود:
(10)
تخلیه توسط یک پتانسیل الکتریکی DC ( V 0 ) اعمال می شود که به هادی داخلی هندسه کواکسیال (در مختصات r = r i ) اعمال می شود. مرز دیگر (در مختصات r = r o ) زمین است. برای تسهیل شروع شبیه‌سازی عددی، یک تابع گام برای مدوله کردن V 0 با پتانسیل اعمال شده گذرا با فرض شکل استفاده می‌شود.
(11) 
.
.این تکنیک عددی با نتایج در حالت پایدار تداخلی ندارد، که در این کار مورد علاقه است.
شیمی پلاسما
شیمی پلاسمای پایدار در هوا می تواند بسیار پیچیده باشد و مطالعه دقیق حالات برانگیخته اصلی به راحتی می تواند صدها واکنش داشته باشد. هدف اصلی این مدل بررسی پروفیل ها و جریان های چگالی ذرات باردار است. با در نظر گرفتن این موضوع، از مجموعه ای ساده از واکنش ها استفاده می شود که به درستی ایجاد و نابودی گونه های باردار در پس زمینه هوای خشک را توصیف می کند.
جدول 1 واکنش های شیمیایی در نظر گرفته شده را فهرست می کند . 2 . در معادلات سیال، نیتروژن و اکسیژن به طور جداگانه مانند یک شیمی دقیق در نظر گرفته نمی شوند. در عوض یک گونه عمومی A برای گاز پس زمینه استفاده می شود. A می‌تواند یونیزه شود و یون‌های مثبت p را تشکیل دهد و A می‌تواند الکترون‌هایی را بچسباند که یون‌های منفی n را تشکیل دهند .
ایجاد و تخریب الکترون‌ها در حجم با یونیزاسیون و ضرایب تاونسند پیوست و با ثابت‌های سرعت برای اتصال سه جسمی و نوترکیبی الکترون-یون توصیف می‌شود. ضرایب تاونسند به عنوان تابعی از انرژی متوسط الکترون با میانگین گیری مناسب بر روی توزیع انرژی الکترون محاسبه شده با استفاده از حل کننده بولتزمن با مجموعه ای ثابت از برخورد پراکندگی الکترون برش های مقطع نیتروژن و اکسیژن به دست می آید . 3 . از مخلوط 80 درصد نیتروژن و 20 درصد اکسیژن استفاده می شود. رابطه بین انرژی متوسط الکترون و میدان الکتریکی کاهش یافته نیز از حل کننده بولتزمن بدست می آید و در شکل 2 آورده شده است .
شکل 2: میانگین انرژی الکترون به عنوان تابعی از میدان الکتریکی کاهش یافته برای مخلوطی از 80% نیتروژن و 20% اکسیژن.
برای اطلاعات دقیق در مورد نحوه محاسبه ضرایب منبع از حل‌کننده بولتزمن به بخش معادله بولتزمن، رابط تقریبی دو ترم در راهنمای کاربر ماژول پلاسما مراجعه کنید .
واکنش | فرمول | تایپ کنید | نه (EV) | kf (M3 / s ) |
1 | e+A=>p+2e | یونیزاسیون | 15 | – |
2 | e+A=>n | پیوست | – | – |
3 | e+2A=>n+A | پیوست | – | – |
4 | e+p=>A | واکنش | – | 5·10 -14 |
5 | n+p=>2A | واکنش | – | 2·10 -12 |
در حالت پایدار، گونه‌های باردار اصلی پلاسما یون‌ها هستند. به همین دلیل، شرایط اولیه دارای چگالی برابر یون های مثبت و منفی و چگالی کمی از الکترون ها هستند. این شرایط اولیه خنثی بودن بار را حفظ می کند زیرا به دلایل عددی مهم است.
علاوه بر واکنش‌های حجمی، واکنش‌های سطحی زیر نیز اجرا می‌شوند:
واکنش | فرمول | ضریب چسبندگی |
1 | p=>A | 1 |
2 | n=>A | 1 |
زمانی که یون ها به دیوار می رسند، فرض می شود که دوباره به اتم های خنثی تبدیل می شوند. توجه داشته باشید که ضریب انتشار ثانویه برای یون های مثبت روی مرز کاتد 0.05 (در مختصات r = r i ) و در الکترود بیرونی 0 (در مختصات r = r o ) تنظیم شده است. میانگین انرژی الکترونی الکترون ثانویه روی 4 eV تنظیم شده است. هنگام استفاده از تقریب میدان محلی، انرژی متوسط الکترون ثانویه فقط در پس پردازش استفاده می شود.
نتایج و بحث
در سراسر این بخش، نتایج برای یک تاج منفی DC با 45- کیلوولت اعمال شده به الکترود داخلی ارائه و مورد بحث قرار می‌گیرد . در پایان، مشخصه جریان-ولتاژ تخلیه ارائه شده است. گاز پس زمینه در چگالی ثابت نگه داشته می شود که توسط قانون گاز ایده آل در فشار اتمسفر و در دمای 600 K به دست آمده است.
در مقایسه با تخلیه‌های کرونای پایدار در گازهای نجیب، تخلیه‌های کرونای هوا به ولتاژ بسیار بالاتری برای تجزیه گاز پس‌زمینه و حفظ تخلیه نیاز دارند. دو دلیل اصلی برای این وجود دارد: (1) فرکانس برخورد الکترون در هوا بیشتر است (تا حدی به دلیل برهمکنش های چرخشی و ارتعاشی) که شتاب دادن به الکترون ها را دشوارتر می کند. و (ب) اکسیژن الکترونگاتیو است.
شکل 3 نمایه های فضایی گونه های باردار را نشان می دهد. تخلیه را می توان در دو ناحیه جدا کرد: (الف) مربوط به ناحیه ای کمتر از 1 میلی متر در نزدیکی کاتد که در آن بیشتر یونیزاسیون رخ می دهد. و (ب) بقیه حجمی که به الکترود زمین می رسد.
پتانسیل شدیدا منفی در الکترود داخلی یون های مثبت را به سمت آن شتاب می دهد و ذرات باردار منفی را از بین می برد. نتیجه منطقه ای از جدایی بار مثبت است (منطقه (a)) که در آن میدان های الکتریکی قوی وجود دارد و الکترون ها به انرژی هایی شتاب می گیرند که قادر به یونیزه کردن گاز زمینه هستند. دمای الکترون، پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی کاهش یافته در شکل 4 ، شکل 5 و شکل 6 نشان داده شده است.. همانطور که مشاهده می شود ناحیه (b) دارای میدان الکتریکی ضعیف و در نتیجه دمای الکترون است. در این ناحیه، الکترون‌ها انرژی کافی برای یونیزه شدن ندارند و به طور موثری به هم متصل شده‌اند و یون‌های منفی تشکیل می‌دهند. نتیجه یک بخش فضایی طولانی از تخلیه است که توسط یون های منفی که به سمت الکترود زمین حرکت می کنند، غالب است. همچنین توجه داشته باشید که در ناحیه (b) جداسازی بار به سختی پتانسیل اعمال شده را تغییر شکل می دهد.
شکل 7 ، شکل 8 ، و شکل 9 نمایش های دوبعدی (به دست آمده با چرخش محلول 1 بعدی) از چگالی عدد گونه های باردار هستند. نمایش توزیع بار با فواصل در مقیاس خطی به ایجاد تصویر واقعی تر از این نوع تخلیه ها کمک می کند. توجه کنید که الکترود داخلی و ناحیه یونیزاسیون چقدر کوچک است و چگونه بیشتر حجم با یون های منفی پر شده است که در جهت آند حرکت می کنند. این مشاهده به این معنی نیست که منطقه (الف) باید نادیده گرفته شود. در واقع، در منطقه (a) است که مکانیسم هایی که تخلیه را حفظ می کنند، رخ می دهد.
در مقایسه با تخلیه‌های تاج در گازهای نجیب، این نوع تخلیه‌های تاج مقاومت بسیار بالاتری دارند زیرا چگالی تعداد ذرات باردار بسیار کمتر است و یون‌ها، بسیار کمتر از الکترون‌ها، حامل‌های اصلی بار هستند.
شکل 10 مقدار مطلق جریان یونی در الکترود زمین را به عنوان تابعی از مقدار مطلق ولتاژ اعمال شده در الکترود داخلی نشان می دهد. مشخصه جریان-ولتاژ طبق انتظار از یک قانون درجه دوم پیروی می کند. مقادیر بدست آمده از چگالی جریان نیز با مقادیر موجود در این نوع تخلیه ها منسجم است.
شکل 3: نیمرخ فضایی چگالی عدد گونه های باردار در حالت ثابت: الکترون ها (آبی)، یون های مثبت (سبز) و یون های منفی (قرمز).
شکل 4: مشخصات فضایی دمای الکترون.
شکل 5: مشخصات فضایی پتانسیل الکتریکی.
شکل 6: مشخصات فضایی میدان الکتریکی کاهش یافته.
شکل 7: نمایش 2 بعدی چگالی الکترون (مقیاس در پایه log 10 است).
شکل 8: نمایش 2 بعدی چگالی یون منفی (مقیاس در پایه log 10 است).
شکل 9: نمایش دوبعدی چگالی یون مثبت (مقیاس در پایه log 10 است).
شکل 10: چگالی جریان یون کل (مقدار مطلق) در الکترود زمین به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده (مقدار مطلق) در الکترود داخلی.
منابع
1. MA Lieberman و AJ Lichtenberg، اصول تخلیه پلاسما و پردازش مواد ، جان ویلی و پسران، 2005.
2. AA Kulikovsky، “استریمر مثبت بین الکترود صفحه موازی در هوای فشار اتمسفر”، J. Phys. د: اپلیکیشن فیزیک ، جلد 30، صفحات 441-450، 1997.
3. پایگاه داده فلپس، www.lxcat.net، بازیابی شده در سال 2016.
مسیر کتابخانه برنامه: Plasma_Module/Corona_discharges/corona_discharge_air_1d
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  1D Axismetric کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Plasma>Plasma (plas) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
مراحل زیر را برای ایجاد هندسه مدل دنبال کنید: یک هندسه 1 بعدی ساده که از یک حوزه منفرد تشکیل شده است که توسط کاتد (چپ، هادی داخلی) و آند (راست، هادی بیرونی) محدود شده است.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، cm را انتخاب کنید . |
فاصله 1 (i1)
1 | روی Component 1 (comp1)>Geometry 1 کلیک راست کرده و Interval را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاصله ، قسمت فاصله را بیابید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
مختصات (سانتی متر) |
10 |
0.01 |
4 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
تعاریف
متغیرهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
mueN | 3.74e24*(plas.Erd*1e21)^-0.22[1/(V*m*s)] | کاهش تحرک الکترون | |
muiN | 6e21[1/(V*s*m)] | 1/(V·m·s) | کاهش تحرک یون |
rnp | 2e-6[cm^3/s] | m³/s | نوترکیبی یون-یون |
rei | 5e-8[cm^3/s] | m³/s | نوترکیب یون الکترون |
نشان ملی | -V0*رمپ | ولتاژ اعمال شده | |
سطح شیب دار | tanh(1e5*t) | ||
p0 | 760[torr] | پا | فشار گاز |
t0 | 600[K] | ک | دمای گاز |
ni0 | 1e17[m^-3] | 1/m³ | چگالی شماره یون اولیه |
نه 0 | 1e10[m^-3] | 1/m³ | چگالی عدد الکترون اولیه |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
V0 | 45 [کیلو ولت] | 45000 V |
پلاسما
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Plasma (plas) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات پلاسما ، بخش ارتفاع عمودی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن d z ، 1[m] را تایپ کنید . |
4 | قسمت Plasma Properties را پیدا کنید . کادر بررسی استفاده از خواص انتقال الکترون کاهش یافته را انتخاب کنید . |
این مدل از تقریب میدان محلی برای پارامترسازی در منبع فضا و ضرایب انتقال استفاده می‌کند.
5 | از لیست انرژی الکترون میانگین ، تقریب میدان محلی را انتخاب کنید . |
این مدل را با استفاده از روش حجم محدود و طرح شارفیتر-گومل حل کنید. با انتخاب های مناسب در قسمت Discretization می توانید از روش اجزای محدود به روش حجم محدود تغییر دهید .
6 | برای گسترش بخش Discretization کلیک کنید . از لیست Formulation ، حجم محدود ( تابع شکل ثابت ) را انتخاب کنید . |
واکنش ضربه الکترون 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Electron Impact Reaction را انتخاب کنید . |
یک واکنش یونیزاسیون اضافه کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش ضربه الکترون ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، A+e=>p+2e را تایپ کنید . |
4 | قسمت Collision Type را پیدا کنید . از لیست نوع برخورد ، یونیزاسیون را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Δε ، عدد 15 را تایپ کنید . |
ضریب یونیزاسیون تاونسند را وارد کنید.
6 | بخش Collision را پیدا کنید . از لیست تعیین واکنش با استفاده ، استفاده از جدول جستجو را انتخاب کنید . |
7 | قسمت Reaction Parameters را پیدا کنید . از لیست فرم ثابت نرخ ، ضریب Townsend را انتخاب کنید . |
8 | زیربخش داده های ضریب تاونسند را پیدا کنید . روی Load from File کلیک کنید .  |
9 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل alpha.txt دوبار کلیک کنید . |
واکنش ضربه الکترون 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Electron Impact Reaction را انتخاب کنید . |
یک واکنش دلبستگی اضافه کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش ضربه الکترون ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، A+e=>n را تایپ کنید . |
4 | قسمت Collision Type را پیدا کنید . از لیست نوع برخورد ، پیوست را انتخاب کنید . |
ضریب تاونسند پیوست را وارد کنید.
5 | بخش Collision را پیدا کنید . از لیست تعیین واکنش با استفاده ، استفاده از جدول جستجو را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Reaction Parameters را پیدا کنید . از لیست فرم ثابت نرخ ، ضریب Townsend را انتخاب کنید . |
7 | زیربخش داده های ضریب تاونسند را پیدا کنید . روی Load from File کلیک کنید .  |
8 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل eta.txt دوبار کلیک کنید . |
واکنش ضربه الکترون 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Electron Impact Reaction را انتخاب کنید . |
یک واکنش دلبستگی 3 بدنه را اضافه کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش ضربه الکترون ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، A + A + e => n + A را تایپ کنید . |
4 | قسمت Collision Type را پیدا کنید . از لیست نوع برخورد ، پیوست را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Reaction Parameters را پیدا کنید . در قسمت نوشتاری k f ، 1.4e-41*(0.026/plas.Te)*exp(100/t0-0.061/plas.Te)*N_A_const^2*0.1 را تایپ کنید . |
واکنش 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Reaction را انتخاب کنید . |
نوترکیب یون الکترون را اضافه کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Formula text e+p=>A را تایپ کنید . |
4 | قسمت Reaction Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن k f ، rei*N_A_const را تایپ کنید . |
واکنش 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Reaction را انتخاب کنید . |
نوترکیبی یون-یون را اضافه کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، n+p=>A+A را تایپ کنید . |
4 | قسمت Reaction Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن k f ، rnp*N_A_const را تایپ کنید . |
گونه: A
هنگام حل هر نوع مشکل جریان واکنش، یک گونه باید همیشه انتخاب شود تا محدودیت جرم را برآورده کند. این باید به عنوان گونه ای با بیشترین کسر جرمی در نظر گرفته شود.
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: A کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول گونه ها را پیدا کنید . |
3 | چک باکس From mass constraint را انتخاب کنید . |
4 | قسمت General Parameters را پیدا کنید . از لیست داده های گونه های از پیش تعیین شده ، N2 را انتخاب کنید . |
گونه: p
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: p کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول گونه ها را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع گونه ، Ion را انتخاب کنید . |
4 | قسمت General Parameters را پیدا کنید . از لیست داده های گونه های از پیش تعیین شده ، N2 را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن z ، 1 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن n 0 ، ni0 را تایپ کنید . |
7 | قسمت Mobility and Diffusivity Expressions را پیدا کنید . از لیست مشخصات ، Specify mobility, compute diffusivity را انتخاب کنید . |
8 | قسمت Mobility Specification را پیدا کنید . در قسمت متن u m ، muiN/plas.Nn را تایپ کنید . |
گونه: n
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: n کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول گونه ها را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع گونه ، Ion را انتخاب کنید . |
4 | قسمت General Parameters را پیدا کنید . از لیست داده های گونه های از پیش تعیین شده ، N2 را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن z ، -1 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن n 0 ، ni0 را تایپ کنید . |
7 | قسمت Mobility and Diffusivity Expressions را پیدا کنید . از لیست مشخصات ، Specify mobility, compute diffusivity را انتخاب کنید . |
8 | قسمت Mobility Specification را پیدا کنید . در قسمت متن u m ، muiN/plas.Nn را تایپ کنید . |
واکنش سطحی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Surface Reaction را انتخاب کنید . |
واکنش‌های سطحی باید همیشه در مدل پلاسما گنجانده شوند، زیرا نحوه تعامل یون‌ها، گونه‌های برانگیخته و رادیکال با دیوار را توصیف می‌کنند. انتشار ثانویه الکترون‌ها برای حفظ تخلیه DC مهم است. در این مثال، یک ضریب انتشار ثانویه بر روی دیوار سمت چپ (کاتد) اضافه کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، p=>A را تایپ کنید . |
4 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
5 | بخش پارامترهای انتشار ثانویه را پیدا کنید . در قسمت متن γ i ، 0.05 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن ε i عدد 4 را تایپ کنید . |
واکنش سطحی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Surface Reaction را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، p=>A را تایپ کنید . |
4 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
واکنش سطحی 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Surface Reaction را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، n=>A را تایپ کنید . |
4 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
پلاسما مدل 1
اطلاعات گاز پس‌زمینه، تحرک الکترون را تنظیم کنید و جدولی را وارد کنید که رابطه بین انرژی الکترون متوسط و میدان الکتریکی کاهش یافته را نشان می‌دهد.
1 | در پنجره Model Builder ، روی Plasma Model 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل پلاسما ، بخش ورودی مدل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ، t0 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متنی p A ، p0 را تایپ کنید . |
5 | بخش چگالی و انرژی الکترون را پیدا کنید . در قسمت متن μ e N n ، mueN را تایپ کنید . |
6 | قسمت Mean Electron Energy Specification را پیدا کنید . از لیست Specify using ، استفاده از جدول جستجو را انتخاب کنید . |
7 | زیربخش میانگین انرژی الکترون را پیدا کنید . روی Load from File کلیک کنید .  |
8 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل EN_to_Nrg.txt دوبار کلیک کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
3 | در فیلد متنی n e، 0 ، ne0 را تایپ کنید . |
زمین 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
تماس فلزی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Metal Contact را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای تماس فلزی ، قسمت ترمینال را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی V 0 ، Vapp را تایپ کنید . |
دیوار 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Boundaries کلیک کنید و دیوار را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دیوار ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
مش 1
مش بندی یک مرحله حیاتی در هر مدل پلاسما است. یک شبکه ریز در نزدیکی الکترودها لازم است تا جداسازی بار فضایی بین الکترون ها و یون های نزدیک به دیوار را ضبط کند.
لبه 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Edge کلیک کنید .
Edge کلیک کنید .توزیع 1
1 | روی Edge 1 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع توزیع ، از پیش تعریف شده را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متنی Number of element ، 200 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن نسبت عنصر ، 100 را تایپ کنید . |
6 | از لیست نرخ رشد ، نمایی را انتخاب کنید . |
7 | چک باکس توزیع متقارن را انتخاب کنید . |
8 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی بار خروجی ، 0 10^{range(-8,8/49,0)} را تایپ کنید . |
4 | برای گسترش بخش Results while Solving کلیک کنید . کادر Plot را انتخاب کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید . |
به روز رسانی Jacobian را روی حداقل تنظیم کنید تا زمان محاسبات کاهش یابد.
3 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Time-Dependent Solver 1 را گسترش دهید ، سپس روی Fully Coupled 1 کلیک کنید . |
4 | در پنجره Settings for Fully Coupled ، برای گسترش بخش Method and Termination کلیک کنید . |
5 | از لیست به‌روزرسانی Jacobian ، Minimal را انتخاب کنید . |
مقادیر اولیه را برای تولید نمودارهای پیش فرض دریافت کنید و سپس آنها را تنظیم کنید تا چگالی الکترون و یون را در حین کار کردن حل کننده نشان دهند.
6 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی دریافت مقدار اولیه کلیک کنید . |
نتایج
چگالی عددی الکترون و یون
1 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Electron and Ion Number Density را در قسمت Label تایپ کنید . |
2 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب زمان ، آخرین را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . |
5 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Axis را پیدا کنید . تیک گزینه Manual axis limits را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت متن x حداقل ، 0.009 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن x حداکثر ، 11 را تایپ کنید . |
9 | در قسمت حداقل متن y ، 1e9 را تایپ کنید . |
10 | در قسمت حداکثر متن y ، 1e17 را تایپ کنید . |
11 | کادر بررسی مقیاس گزارش محور x را انتخاب کنید . |
12 | کادر بررسی مقیاس گزارش محور y را انتخاب کنید . |
الکترون ها
1 | در پنجره Model Builder ، گره Electron and Ion Number Density را گسترش دهید ، سپس روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، Electrons را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
4 | از لیست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
الکترون ها |
6 | برای گسترش بخش کیفیت کلیک کنید . از لیست Resolution ، بدون پالایش را انتخاب کنید . |
یون های مثبت
1 | روی Electrons کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، یون های مثبت را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در فیلد متن Expression ، plas.n_wp را تایپ کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
یون های مثبت |
یون های منفی
1 | روی Positive ions کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، یون های منفی را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، plas.n_wn را تایپ کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
یون های منفی |
دمای الکترون (Plas)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Electron Temperature (plas) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب زمان ، آخرین را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Axis را پیدا کنید . کادر بررسی مقیاس گزارش محور x را انتخاب کنید . |
پتانسیل الکتریکی (پلاس)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Potential (plas) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب زمان ، آخرین را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
چگالی عددی الکترون و یون
در نوار ابزار مطالعه ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .کاهش میدان الکتریکی
1 | روی Electric Potential (plas) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، Reduced Electric Field را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Axis را پیدا کنید . کادر بررسی مقیاس گزارش محور x را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Reduced Electric Field را گسترش دهید ، سپس روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text plas.Erd را تایپ کنید . |
4 | از لیست Unit ، Td را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Reduced Electric Field ، روی  Plot کلیک کنید . |
انقلاب 1D 1
در نوار ابزار نتایج ، روی More Datasets کلیک کنید و Revolution 1D را انتخاب کنید .
More Datasets کلیک کنید و Revolution 1D را انتخاب کنید .گزارش چگالی الکترون
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  2D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دو بعدی ، Log of Electron Density را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
سطح 1
1 | روی Log of Electron Density کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، log10(plas.ne) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Log of Electron Density ، روی  Plot کلیک کنید . |
گزارش چگالی یون منفی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Log of Electron Density کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دو بعدی ، Log of Negative Ion Density را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Log of Negative Ion Density را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، log10(plas.n_wn) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Log of Negative Ion Density ، روی  Plot کلیک کنید . |
گزارش چگالی یون مثبت
1 | در پنجره Model Builder ، روی Log of Negative Ion Density کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دو بعدی ، Log of Positive Ion Density را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Log of Positive Ion Density را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، log10(plas.n_wp) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Log of Positive Ion Density ، روی  Plot کلیک کنید . |
مطالعه 1
پارامتری از ولتاژ اعمال شده را آماده کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
4 | چک باکس Generate convergence plots را پاک کنید . |
جارو پارامتریک
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر Sweep کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
V0 | 20 25 30 35 40 45 50 | کیلوولت |
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، بخش Results When Solving را پیدا کنید . |
3 | کادر Plot را پاک کنید . |
جارو پارامتریک
در نوار ابزار مطالعه ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
گروه طرح 1 بعدی 8
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/ راه حل های پارامتریک 1 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب زمان ، آخرین را انتخاب کنید . |
5 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | روی 1D Plot Group 8 کلیک راست کرده و Point Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Plasma>Current>plas.nJt – چگالی جریان یون کل روی دیوار – A/m² را انتخاب کنید . |
4 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت Expression text، abs(plas.nJt) را تایپ کنید . |
5 | در قسمت Unit ، mA/m^2 را تایپ کنید . |
6 | چک باکس Description را انتخاب کنید . |
7 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از فهرست داده های منبع محور ، V0 را انتخاب کنید . |
8 | از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
9 | در قسمت متن Expression ، V0 را تایپ کنید . |
10 | از لیست واحد ، kV را انتخاب کنید . |
11 | چک باکس Description را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، Applied Voltage را تایپ کنید . |
گروه طرح 1 بعدی 8
1 | در پنجره Model Builder ، روی 1D Plot Group 8 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، چگالی جریان یون کل (mA/m<sup>2</sup>) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار 1D Plot Group 8 ، روی  Plot کلیک کنید . |
