[論文レビュー] Modelling of a miniature microwave driven nitrogen plasma jet and comparison to measurements

Michael Klute, Efe Ke­man­eci+5 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2021

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、1000 Paにおけるマイクロ波駆動窒素プラズマジェット（MMWICP）の電磁気およびグローバル化学モデルの結合を提案し、プラズマパラメータおよび電力吸収を正確に予測している。モデルは実験データと強く一致しており、特に高電力および高電子密度（ne ≈ 3.5×10¹⁹ m⁻³）条件下で顕著である。放電は容量性および誘導性結合成分が顕著なE/Hハイブリッドモードであると特定された。

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.

研究の動機と目的

• 1000 Paにおけるマイクロ波駆動窒素プラズマジェット（MMWICP）の定量的かつ正確なモデルの構築を目的とする。
• 従来のモデルの限界を克服するため、窒素反応セットに基づくグローバル化学モデルを電磁界記述と統合することを目的とする。
• プラズマパラメータ、電力吸収、および空間的場分布の定量的予測を可能とすることを目的とする。
• 吸収されたマイクロ波電力における容量性および誘導性結合の寄与のバランスを分析することを目的とする。

提案手法

• Kluteら（2020）の電磁気モデルを用い、円筒座標系における場および電力吸収の計算を実施した。
• 電磁気モデルとThorsteinssonおよびGudmundssonの窒素反応セットに基づくグローバル化学モデルを結合した。
• MMWICPの幾何形状に適合させるために化学モデルをカスタマイズし、電子密度および種粒子濃度の計算に適用した。
• コンデンサギャップに起因する方位対称性の破れを扱うためにフーリエ級数法を用いた。
• 磁界および電界のベッセル関数展開を用いて、周波数領域におけるマクスウェル方程式を解いた。
• 電磁気モデルと化学モデルを自己自己一貫的に結合させ、定常プラズマ状態を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1000 PaにおけるMMWICPの実験的プラズマパラメータを、結合された電磁気およびグローバル化学モデルがどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 MMWICPにおける吸収マイクロ波電力に占める容量性および誘導性結合の相対的寄与はいかほどか？
• RQ3 モデルはプラズマおよび電界強度の空間的分布をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 低吸収電力および低電子密度条件下でモデルと実験の乖離が生じる理由は何か？
• RQ5 高電子密度における放電モードの性質は何か？また、それはプラズマインピーダンス特性とどのように関連するか？

主な発見

• 高吸収電力（Pabs ≈ 78 W）および高電子密度（ne ≈ 3.5×10¹⁹ m⁻³）条件下で、体積平均プラズマパラメータについてモデルと実験データが優れた一致を示した。
• 局所的吸収電力⟨j · E⟩の空間的分布は、低電力および高電力両領域で測定された光放射と良好に一致した。
• 実測値とシミュレーション結果の電界強度の大きさ|E|は、r-φ平面全域で通常の実験的誤差範囲内に一致した。
• ne = 6.5×10¹⁸ m⁻³のとき、容量性および誘導性結合成分の両方が顕著であるため、放電はE/Hハイブリッドモードと特定された。
• 高電力領域ではマイクロ波測定値が正確に再現され、結合効率は60％以上であった。
• 低Pabsおよび低ne条件下の乖離は、グローバルモデルが低電力放電に特徴的な強い空間非均一性を捉えられていないことに起因する。