[논문 리뷰] Modelling of a miniature microwave driven nitrogen plasma jet and comparison to measurements

Michael Klute, Efe Ke­man­eci외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 15.

Plasma Diagnostics and Applications참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 1000 Pa에서 마이크로파 구동 질소 플라즈마 제트(MMWICP)에 대한 전자기 및 글로벌 화학 모델을 결합하여 제안하며, 플라즈마 파arameter와 전력 흡수를 정확하게 예측한다. 모델은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 특히 고출력 및 고전자 밀도(ne ≈ 3.5×10¹⁹ m⁻³) 조건에서 뛰어난 성능을 보인다. 또한, 유의미한 용량성 및 유도성 결합 성분을 포함한 E/H 하이브리드 모드로 식별된다.

ABSTRACT

The MMWICP (Miniature MicroWave ICP) is a new plasma source using the induction principle. Recently Klute et al. presented a mathematical model for the electromagnetic fields and power balance of the new device. In this work the electromagnetic model is coupled with a global chemistry model for nitrogen, based on the chemical reaction set of Thorsteinsson and Gudmundsson and customized for the geometry of the MMWICP. The combined model delivers a quantitative description for a non-thermal plasma at a pressure of $p=1000\,\mathrm{Pa}$ and a gas temperature of $T_\mathrm{g}=650\mbox{-}1600\,\mathrm{K}$. Comparison with published experimental data shows a good agreement for the volume averaged plasma parameters at high power, for the spatial distribution of the discharge and for the microwave measurements. Furthermore, the balance of capacitive and inductive \linebreak coupling in the absorbed power is analyzed. This leads to the interpretation of the discharge regime at a electron density of $n_\mathrm{e} \approx 6.4 \! imes\!10^{18} \, \mathrm{m}^{-3}$ as $E/H$-hybridmode with an capacitive and inductive component.

연구 동기 및 목표

• 1000 Pa에서 마이크로파 구동 질소 플라즈마 제트(MMWICP)에 대한 정량적 정확도를 갖춘 모델을 개발하기 위해.
• 이전 모델의 한계를 극복하기 위해 질소 반응 세트를 기반으로 한 글로벌 화학 모델을 전자기장 기술과 통합하기 위해.
• 플라즈마 파arameter, 전력 흡수 및 공간적 장 분포의 정량적 예측을 가능하게 하기 위해.
• 흡수된 마이크로파 전력에서 용량성 및 유도성 결합의 균형을 분석하기 위해.

제안 방법

• 원통좌표계에서 전자기장 및 전력 흡수 계산을 위해 Klute 등(2020)의 전자기 모델을 채택하였다.
• Thorsteinsson 및 Gudmundsson의 질소 반응 세트를 기반으로 한 글로벌 화학 모델과 전자기 모델을 결합하였다.
• MMWICP 기하구조에 맞게 화학 모델을 수정하고, 전자 밀도 및 종 농도를 계산하기 위해 적용하였다.
• 콘デン서 갭으로 인한 각도 대칭성 붕괴를 고려하기 위해 푸리에 급수 방법을 사용하였다.
• 자기장 및 전기장에 대한 베셀 함수 전개를 사용하여 주파수 도메인에서 맥스웰 방정식을 해결하였다.
• 자기적으로 일관된 전자기 및 화학 모델을 결합하여 정적 플라즈마 상태를 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결합된 전자기 및 글로벌 화학 모델은 1000 Pa에서 MMWICP의 실험적 플라즈마 파arameter를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ2 MMWICP에서 흡수된 마이크로파 전력에 대한 용량성 및 유도성 결합의 기여도는 각각 얼마인가?
• RQ3 모델은 플라즈마 및 전기장 강도의 공간 분포를 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ4 낮은 흡수 전력 및 전자 밀도에서 모델과 실험 간의 이질성이 발생하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 고전자 밀도에서의 플라즈마 제어 방식은 무엇이며, 이는 플라즈마 임피던스 특성과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 고출력(Pabs ≈ 78 W) 및 고전자 밀도(ne ≈ 3.5×10¹⁹ m⁻³) 조건에서 볼륨 평균 플라즈마 파arameter에 대해 모델이 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였다.
• 낮은 및 높은 출력 영역 모두에서 국소적 흡수 전력 ⟨j · E⟩의 공간 분포가 빛 방출 측정치와 잘 일치하였다.
• 측정된 및 시뮬레이션된 전기장 크기 |E|는 r-φ 평면 전역에서 일반적인 실험적 한계 내에서 일치하였다.
• ne = 6.5×10¹⁸ m⁻³일 때, 용량성 및 유도성 결합 성분이 뚜렷하게 기여함으로써 플라즈마가 E/H 하이브리드 모드로 식별되었다.
• 고출력 영역에서 마이크로파 측정치가 정확하게 재현되었으며, 결합 효율은 최소 60%에 달했다.
• 낮은 Pabs 및 ne 조건에서의 이질성은 글로벌 모델이 저출력 플라즈마에서 고유한 강한 공간 비균일성을 포착하지 못하기 때문이었다.