プラズマモジュール

低温プラズマ放電をモデル化

プラズマとは, 流体力学, 反応工学, 物理動力学, 熱伝達, 物質移動, および電磁気学が関与する重要なマルチフィジックス 系です. プラズマモジュールは, 幅広い工学分野で発生する非平衡および平衡放電をモデル化するための COMSOL Multiphysics® に特化したアドオン製品です. 任意の系を扱うために開発されたプラズマモジュールには, 直流 (DC) 放電, 誘導結合プラズマ (ICP), マイクロ波プラズマ, 容量性結合プラズマ (CCP), およびコロナ放電をモデル化するための定義済み設定が用意されています.

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A 3D model with a copper square coil on top showing the temperature in the Inferno color table.

プラズマモジュールでモデル化できること

さまざまな電磁波励起を受けるプラズマの挙動をシミュレート.

A close-up view of an ICP reactor model showing the absorbed power.

誘導性結合プラズマ

ICP 反応器において, 電力がプラズマにどのように結合するかを解析.1

A close-up view of a CCP reactor model showing the temperature and density.

容量性結合プラズマ

時間周期定常状態を直接求解する専用インターフェースを使って, CCP 反応器をモデル化.

A close-up view of an ECR plasma source model showing the temperature.

電子サイクロトロン共鳴 (ECR) プラズマ源

プラズマモデルと磁場, 電磁波を組み合わせ, ECR プラズマ源をモデル化.1,2

A close-up view of a 1D plot showing the resistive heating.

マイクロ波励起プラズマ

プラズマ中のマイクロ波加熱の影響を解析.2

A close-up view of a DC discharge model showing the plasma density.

直流放電

DC 電圧または電流によって持続する放電をシミュレート.

A close-up view of a corona discharge model showing the negative ion density.

コロナ放電

コロナ放電における荷電種の空間分布を計算.

A close-up view of two spheres showing the electric breakdown.

絶縁破壊

高電圧 DC 系が気体絶縁破壊を引き起こすかどうかを検出.

A close-up view of an electrostatic precipitator model showing the electric field and particle trajectories.

電気集塵器

電気集塵機の荷電粒子軌道を追跡し, 透過確率を計算.3

A close-up view of a plasma DC arc model showing the temperature.

プラズマアーク

プラズマアークと周囲の材料の温度分布をシミュレート.1

A close-up view of an ICP plasma torch model showing the temperature.

ICPトーチ

ICP トーチの電気的, 熱的特性を大気圧下で解析.1

A 1D plot showing the temporal evolution and reduced electric field.

プラズマグローバルモデル

ボルツマン方程式を含む, 高速なパラメーター化と複雑な化学反応に対応するグローバルモデルを使用して, プラズマ反応器をモデル化.

A 1D plot showing the electron energy distribution functions.

電子エネルギー分布関数 (EEDF)

EEDF を計算し, 流体プラズマモデルで使用するための電子輸送パラメーターとソース項を計算.

A close-up view of two ICP reactor plots showing the absorbed power.

プラズマの均一性のための最適化

プラズマの均一性を得るために, ICP リアクターのコイル設計と配置を最適化.4

A 1D plot showing the ion energy distribution.

イオンエネルギー分布関数

表面でのイオンエネルギー分布関数を計算.3

  1. AC/DC モジュールが必要
  2. RF モジュールが必要
  3. 粒子追跡モジュールが必要
  4. 最適化モジュールが必要

プラズマモジュールの特長と機能

プラズマモジュールは低温および熱プラズマをモデル化するための専用ツールを提供します.

A close-up view of the Model Builder with the Plasma node highlighted and the corresponding Settings window.

非平衡プラズマ

プラズマモジュールは, 静電場または時間電場によって維持される低温プラズマ反応器をモデル化するための組み込みのユーザーインターフェースを搭載しています. これらのインターフェースはそれぞれ, ドメイン方程式, 境界条件, 初期条件, 事前定義されたメッシュ, 定常および過渡解析のソルバー設定による事前定義されたスタディ, および事前定義されたプロットと計算値のセットを定義します. すべての化学種 (電子, イオン, 中性粒子) の輸送方程式は, ポアソン方程式で自己無撞着に求解されます. また, 電子の平均エネルギー方程式は, 電子が電場からエネルギーを得て, 背景ガスとの衝突でエネルギーを失う方法をモデル化することによって解くことができます.

A close-up view of the Model Builder with the Electron Impact Reaction node highlighted and an electrodeless lamp model in the Graphics window.

プラズマ化学反応

プラズマ化学は, 現実的なシミュレーション結果を得るために非常に重要です. プラズマモジュールを使用すると, 電子衝突反応, 重化学種間の反応, および表面反応を定義することができます.

プラズマ化学は, 背景ガスとの衝突で電子がどのようにエネルギーを失ったり得たりするかを決定します. プラズマモジュールは, 電離, 励起, および付着につながる電子衝撃反応をモデル化するための専用機能を提供します. 電子衝突反応は断面データから定義でき, ソース項は電子エネルギー分布関数を適切に積分することで得られます.

A close-up view of the Model Builder with the Plasma Conductivity Coupling node highlighted and an ICP reactor model in the Graphics window.

ICP 反応器をモデル化するためのマルチフィジックスインターフェース

誘導性結合プラズママルチフィジックスインターフェース1は, 誘導電流によって維持される放電を解析するために使用されます. このマルチフィジックスインターフェースは, プラズマインターフェースからのプラズマ伝導率を磁場インターフェースに接続し, 誘導電流による電子加熱をプラズマインターフェースに結合します. 磁場は周波数領域で, プラズマは時間領域で解かれます.

A close-up view of the Add Physics window with the Equilibrium Inductively Coupled Plasma node highlighted and an ICP torch model in the Graphics window.

平衡放電をモデル化するためのマルチフィジックスインターフェース

プラズマモジュールには, 熱力学的平衡状態におけるプラズマをモデル化するためのインターフェースが含まれています. 熱力学的平衡では, 電子と重化学種は同じ温度を持ち, プラズマは単一の温度で特徴付けることができます. このような条件のプラズマをモデル化するために, プラズマモジュールには, 電気的励起のタイプに基づいたいくつかの平衡放電インターフェースが用意されています. 平衡 DC 放電, 平衡誘導性結合プラズマ1, および複合誘導/DC放電1です. これらのインターフェースは, 磁気流体力学的アプローチにおいて, プラズマを1つの温度を持つ単一の流体として記述します. 平衡放電インターフェースは, 流体の流れ, 熱伝達, 磁場, および電流のインターフェースを結合したものです. プラズマフィジックスは, 特定の熱源を流体に組み込むマルチフィジックスカップリング機能によって, および電気伝導率, 熱容量, 輻射熱伝達などのプラズマ特性を介して導入されます.

A close-up view of the Model Builder with the Wall node highlighted and the corresponding Settings window.

プラズマと表面の相互作用のための境界条件

プラズマモジュール内の組み込みユーザーインターフェースの一部として, プラズマが表面とどのように相互作用するかを記述するためのさまざまな境界条件が用意されています. たとえば, 表面での電子密度とエネルギー流束は, 壁機能を適用することで簡単に定義できます. この機能により, 電子伝達方程式に輸送による損失が導入されます. 表面での二次電子放出や一般的な電子流束などの追加の流束源を含めることができます.

荷電粒子の流束は電極で自動的に計算され, 外部回路をモデル化するために追加できます. 誘電体がプラズマと接触している場合, 表面での荷重種の流束から表面電荷蓄積を計算することができます.

A close-up view of the Model Builder with the Heat Source node highlighted and a thermal plasma model in the Graphics window.

背景ガスの CFD および熱伝達解析

プラズマインターフェースでは, 背景ガスの流れや加熱をモデル化するために, 流れおよび伝熱インターフェースと組み合わせることができます. また, プラズマを取り囲む材料における熱伝達をシミュレートすることも可能です. 電子は電場からエネルギーを得て, 背景ガスとの衝突でエネルギーを失います. 圧力が十分に高かければ, このメカニズムによって重要なガスや表面の加熱が起こる可能性があります. プラズマインターフェースは, プラズマ反応から生じる熱源を自動的に計算し, 伝熱インターフェースで使用できるようにします. 粘度や密度などの流体特性もプラズマインターフェースで計算され, 流体流れインターフェースで使用できるようになります.

A close-up view of the Model Builder with the Plasma, Time Periodic node highlighted and a GEC model in the Graphics window.

CCP 反応器をモデル化するためのフィジックスインターフェース

プラズマモジュールには, 従来の方法よりも大幅に短縮された計算時間で CCP をモデル化するための特殊な数値的方法が搭載されています. 時間領域で解く代わりに, 基礎となる数学方程式に追加の次元を追加することにより, 周期的な定常状態の解が計算されます. この追加の次元の方程式は, 1つの RF サイクルを表し, 周期境界条件を適用します. これにより, 何万, 何十万ものRFサイクルを解く必要がなくなり, プラズマが周期的な定常解に到達するまでに長い時間がかかることが避けられます. このアプローチは, モデルのすべての非線形性を維持しながら, 計算時間を劇的に短縮してくれます.

A close-up view of the Plasma Conductivity Coupling settings and a microwave plasma source model in the Graphics window.

マイクロ波プラズマをモデル化するためのマルチフィジックスインターフェース

マイクロ波プラズママルチフィジックスインターフェース2は, 電磁波によって維持される放電 (波動加熱放電) を解析するために使用されます. このインターフェースを選択すると, プラズマインターフェースと電磁波インターフェース, およびマルチフィジックスカップリングが自動的に生成されます. プラズマ伝導度結合機能は, プラズマ伝導度を電磁波インターフェースに結合し, 電子熱源機能は, 結果として生じる電子加熱をプラズマインターフェースに結合します. 電磁波は周波数領域で, プラズマは時間領域で解かれます.

  1. AC/DC モジュールが必要です
  2. RF モジュールが必要です

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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