模拟低温等离子体放电

等离子体系统的行为受流体力学、化学反应、物理动力学、传热、质量传递和电磁等多个物理效应的共同影响。“等离子体模块”是 COMSOL Multiphysics^® 的附加产品，用于模拟各种工程领域中的非平衡和平衡放电现象。软件提供了预置的工具，可以分析直流（DC）放电、电感耦合等离子体（ICP）、微波等离子体、电容耦合等离子体（CCP）和电晕放电等现象。

等离子体模块的主要应用

模拟多种电磁激励产生的等离子体。

电感耦合等离子体

研究功率如何与 ICP 反应器中的等离子体进行耦合。¹

ICP 反应器中的电子吸收的功率。

电子回旋共振（ECR）等离子体源

将等离子体模型与磁场和电磁波相耦合，为 ECR 等离子体源进行建模。^1,2

ECR 等离子体源的电子温度。

直流放电

模拟由直流电压或电流维持的放电。

直流放电中的等离子体密度。

电击穿

检测高压直流系统是否会导致气体击穿。

阴极表面的击穿指示器。

等离子体弧

模拟等离子体弧和周围材料的温度分布。¹

等离子体弧、钨棒和钢板中的温度分布。

等离子体全局模型

通过用于快速参数化和复杂化学反应的全局模型（包含玻尔兹曼方程）模拟等离子体反应器。

使用两项近似求解玻尔兹曼方程可以自洽地计算等离子体物质的时间演化和约化电场。

等离子体均匀性的优化

优化 ICP 反应器的线圈设计和定位以获得等离子体均匀性。⁴

ICP 反应器中电子吸收的功率在线圈定位之前（上）和之后（下）针对等离子体均匀性进行了优化。

电容耦合等离子体

使用直接求解时间周期稳态问题的专用接口对 CCP 反应器进行建模。

CCP 反应器中的电子温度和等离子体密度。

微波激发的等离子体

研究等离子体中微波加热的影响。²

用微波维持的等离子体的电阻热。深蓝色轮廓表示临界等离子体密度，其中电子密度等于每立方米 7.6E16。

电晕放电

计算电晕放电中带电物质的空间分布。

点对面配置中的电晕放电的负离子密度。

静电除尘器

跟踪带电粒子轨迹并计算静电除尘器的传输概率。³

静电除尘器中的电场和粒子轨迹。

ICP 炬

研究 ICP 炬在大气压下的电气和热特性。¹

ICP 等离子体炬的温度分布。

电子能量分布函数（EEDF）

计算 EEDF 并得到用于流体等离子体模型的电子传递参数和源项。

氩气中具有不同幅度和不同约化频率的振荡电场的电子能量分布函数。所有 EEDF 都具有相同的电子平均能量：2.15 eV。

离子能量分布函数

计算表面的离子能量分布函数。³

CCP 反应器晶片处的离子能量分布函数。

备注：

1. 需要“AC/DC 模块”

2. 需要“RF 模块”

3. 需要“粒子追踪模块”

4. 需要“优化模块”

等离子体模块的主要功能

“等离子体模块”提供专门的工具，用于模拟低温等离子体和热等离子体。

非平衡等离子体

“等离子体模块”提供内置的用户接口来模拟由稳态或时变电场维持的低温等离子体反应器。这些接口预置了相应的域方程组、边界条件、初始条件、预定义网格、带有稳态和瞬态分析求解器设置的预定义研究，还提供了预定义的绘图和派生值，以帮助用户更好地了解仿真结果。各个接口使用泊松方程自洽地求解所有物质（电子、离子和中性物质）的输运方程；同时，也可以通过模拟电子如何从电场获得能量并在与背景气体的碰撞中损失能量来求解电子的平均能量方程。

等离子体 接口包含扩散模型、传递设置、等离子体属性等的预定义选项。本模型模拟氮气中的双头流注。结果显示 2.5 ns 时的电子密度和等势线。

等离子体化学反应

等离子体的化学性质对于获得真实的仿真结果极为重要。为此，“等离子体模块”提供了丰富的功能，用于定义电子碰撞反应、重物质之间的反应和表面反应。

电子在与背景气体的碰撞中如何失去或获得能量，取决于等离子体的化学性质。“等离子体模块”提供了专门的功能，用于模拟可能导致电离、激发和附着的电子碰撞反应。用户可以基于横截面数据来定义电子碰撞反应，还可以通过对电子能量分布函数进行适当的积分来获得源项。

“等离子体模块”允许进行复杂的等离子体化学反应，其中涉及电子碰撞反应、重物质反应和表面反应。

用于 ICP 反应器建模的多物理场接口

电感耦合等离子体 多物理场接口1 用于研究由感应电流维持的放电，其中将等离子体电导率从等离子体 接口连接到磁场 接口，并将感应电流产生的电子加热耦合回等离子体 接口。通过在频域中求解磁场，并在时域中求解等离子体，可以精确描述 ICP 反应器的多个物理场。

电感耦合等离子体 多物理场接口可用于模拟由感应电流激发的等离子体，例如 ICP 反应器，如图形 窗口中所示。

用于平衡放电建模的多物理场接口

“等离子体模块”中的接口可用于模拟热力学平衡状态下的等离子体，在这种状态下，电子和重物质具有相同的温度，等离子体可以用单一温度来表征。为了模拟这种条件下的等离子体，本模块提供了多个基于电激励类型的平衡放电 接口：平衡直流放电、平衡电感耦合等离子体 ¹ 和感应/直流耦合放电 ¹。这些接口使用磁流体力学方法，将等离子体描述为具有一个温度的单一流体。平衡放电接口可以将流体流动、传热、磁场和电流接口进行耦合。软件采用多物理场耦合特征来引入等离子体物理场，通过等离子体属性（例如电导率、热容、辐射传热等）将特定的热源纳入流体中，从而更加高效地计算处于平衡状态的等离子体模型。

平衡放电 接口可用于为热力学平衡的等离子体进行建模。本例模拟等离子体炬。

用于描述等离子体-表面相互作用的边界条件

“等离子体模块”内置的用户接口提供了多种边界条件来描述等离子体与表面的相互作用。例如，用户可以通过应用壁 特征来轻松定义表面的电子密度和能流，将传输损耗引入电子输运方程。此外，还可以在表面上包含其他通量源，例如二次电子发射和一般电子通量等。

该模块在电极处自动计算带电粒子的通量，并支持添加带电粒子通量以模拟外部电路。如果电介质与等离子体接触，则可以根据表面带电物质的通量来计算表面电荷累积。

本例使用壁 特征将柱表面的电子通量和能量设置为 0。两个结果绘图显示了沿轴的数密度（r = 0，柱中间部分）。

背景气体的流动和传热分析

等离子体 接口可以与流动和传热接口相结合，分析背景气体的流动和传热。同时，用户还可以模拟等离子体周围材料之间的热量交换。在等离子体中，电子从场中获得能量，然后在与背景气体的碰撞中失去能量。当压力足够高时，这种机制会导致显著的气体和表面加热。等离子体 接口会自动计算等离子体反应产生的热源，并将其提供给“传热”接口。此外，黏度和密度等流体属性也在等离子体 接口中进行计算，并可在“流体流动”接口中使用。

等离子体 接口可以与流动和传热相耦合，用于求解背景气体速度和温度。

用于 CCP 反应器建模的物理场接口

“等离子体模块”包含了专门的数值方法，用于对 CCP 进行建模。相较于传统方法，该方法具有更高的计算效率，能够极大地缩短计算时间。周期稳态解不是在时域中求解，而是通过在基础数学方程中添加一个额外维度进行计算。这个额外维度方程表示一个射频周期，并强制执行周期性边界条件，可以避免必须求解数万或数十万个射频周期的情况（这通常需要很长时间才能使等离子体达到周期稳态解）。  这种方法不仅能够保持模型的所有非线性，还可以明显减少计算时间。

等离子体，时间周期 接口可用于为 CCP 反应器建模。

用于微波等离子体建模的多物理场接口

微波等离子体 多物理场接口² 用于研究由电磁波维持的放电（也称为波加热放电）。当您选择此接口时，软件会自动生成等离子体 和电磁波 接口以及多物理场耦合。等离子体电导耦合 功能可以将等离子体电导率耦合到电磁波 接口，而电子热源 接口可以将产生的电子热耦合回等离子体 接口。在此接口中，电磁波在频域中求解，而等离子体在时域中求解，以确保得到精确的仿真结果。

微波等离子体 多物理场接口可用于模拟由微波激发的等离子体。

备注：

1. 需要“AC/DC 模块”

2. 需要“RF 模块”