[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究针对在1000 Pa下工作的微型微波驱动氮气等离子体喷射（MMWICP）提出了一种电磁场与全球化学模型的耦合模型，能够精确预测等离子体参数和功率吸收。该模型与实验数据高度一致，尤其在高功率和高电子密度（ne ≈ 3.5×10¹⁹ m⁻³）条件下表现优异，并识别出放电模式为具有显著电容性和电感性耦合分量的E/H混合模式。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于1000 Pa条件下微型微波驱动氮气等离子体喷射（MMWICP）的定量精确模型。
• 通过将氮气反应集的全球化学模型与电磁场描述相结合，克服先前模型的局限性。
• 实现对等离子体参数、功率吸收及空间场分布的定量预测。
• 分析吸收微波功率中电容性与电感性耦合的相对贡献。

提出的方法

• 采用Klute等人（2020）提出的电磁模型，用于在圆柱坐标系下计算场强与功率吸收。
• 将电磁模型与基于Thorsteinsson和Gudmundsson的氮气反应集构建的全球化学模型相耦合。
• 针对MMWICP的几何结构定制化学模型，并用于计算电子密度与各物种浓度。
• 采用傅里叶级数方法，以考虑因电容器间隙导致的方位对称性破缺。
• 通过贝塞尔函数展开求解频域中的麦克斯韦方程组，分别处理磁场与电场。
• 自洽耦合电磁模型与化学模型，以预测稳态等离子体状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提出的电磁场与全球化学耦合模型在1000 Pa条件下对MMWICP实验等离子体参数的预测精度如何？
• RQ2 在MMWICP中，电容性与电感性耦合对吸收微波功率的相对贡献分别是什么？
• RQ3 该模型对等离子体与电场强度空间分布的再现精度如何？
• RQ4 为何在低吸收功率与低电子密度条件下，模型与实验之间出现偏差？
• RQ5 在高电子密度条件下，放电模式的本质是什么？其与等离子体阻抗特性有何关联？

主要发现

• 在高吸收功率（Pabs ≈ 78 W）和高电子密度（ne ≈ 3.5×10¹⁹ m⁻³）条件下，模型对体积平均等离子体参数的预测与实验数据高度一致。
• 局部吸收功率⟨j · E⟩的空间分布与低功率和高功率状态下测得的发光强度分布高度吻合。
• 在r-φ平面内，测量值与模拟值的电场强度|E|匹配程度在典型实验误差范围内。
• 当ne = 6.5×10¹⁸ m⁻³时，由于电容性和电感性耦合分量均显著，放电被识别为E/H混合模式。
• 在高功率状态下，微波测量结果被准确再现，耦合效率不低于60%。
• 在低Pabs和ne条件下出现的偏差，源于全局模型无法捕捉低功率放电中固有的强空间非均匀性。