Введение 3
1 Применение ВЧ-плазмы пониженного давления 6
2 Принципиальная схема высокочастотной плазменной установки 10
3 Описание численного метода и программы 12
4 Результаты численных расчётов 18
Заключение 26
Список литературы 27
Одним из приоритетных направлений промышленного производства является повышение надежности, долговечности и качества материалов, в частности с помощью модификации их свойств. Эффективным способом улучшения поверхности веществ различной физической природы в этом случае является обработка высокочастотной (ВЧ) плазмой низкого давления (13,3 — 133 Па).
Данная плазма отличается степенью ионизации от 1015 до 1019 м—3, температурой в струе от 3,5 до 10 сотен градусов Цельсия, атомов и ионов от 3 до 4 TBic. К, электронов от 1 до 4 эВ. В плазменном потоке твердое тело бомбардируется ионами со средней энергией. При модификации поверхности это позволяет получить результаты, недостижимые другими методами плазменного воздействия: снижение шероховатости поверхности (средней высоты микро-шероховатости) в 2 раза при одновременном увеличении микротвердости, повышение износостойкости и долговечности изделий, увеличение срока службы.
В настоящее время накоплены обширные экспериментальные данные по электрическим, энергетическим, газодинамическим свойствам плазмы ВЧ разряда низкого давления, результатам ее взаимодействия с различными материалами, имеются общие представления об основных процессах, протекающих в неравновесной низкотемпературной плазме на границе раздела с твердым телом. Однако режимы обработки ВЧ плазмой получены экспериментально в лабораторных условиях при ограниченном наборе параметров разряда, в том числе и параметров ВЧ-плазмотрона.
Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена использованием низкого давления ВЧ плазменного улучшения веществ, математическое моделирование и численные расчеты характеристик плазмы может снизить затраты на дорогостоящие эксперименты.
Создаётся математическая модель, описывающая распределение основных характеристик электромагнитного(ЭМ) поля, а также температуры и концентрации заряженных частиц в ВЧ-плазмотроне, с целью строительства оборудования и процессов технологий с использованием ВЧ-плазмы. Поэтому
разработка математической модели ВЧ плазмотрона представляет интерес.
Выпускная квалификационная работа актуальна решением математического моделирования низкотемпературных плазмы, исследования основ- HBix характеристик электромагнитного поля и концентрации электронов в ВЧ плазмотроне путем математического моделирования в одномерном приближении. В работе построен и реализован численный метод расчета основ- HBix характеристик электромагнитного поля и концентрации электронов в ВЧ-плазмотроне, приведены результаты численных экспериментов по расчету электрических и магнитных полей и концентрации электронов.
В первой главе обозревается применение ВЧ-плазмы с пониженным давлением на практике, механизмы взаимодействия низкой температуры неравномерно плазмы с поверхностью твердых тел, модели ВЧ-разрядов. Обработка материалов в разреженной плазме является весьма эффективным способом модификации поверхности, но она была получена через опыт.
Значительный вклад в развитие процессов компьютерного моделирования внёс А. А. Самарский. Для построения математической модели необходимо прежде всего выявить преобладающие факторы воздействия плазмы, создать адекватную физическую модель процесса ВЧ-плазмотрона. При анализе процесса ВЧ плазмы низкого давления с твердыми телами получили, что самые вероятные события - это тепловые эффекты, бомбардировка ионами и их рекомбинация на границе вещества[2].
ВЧ-плазма, не изменяющаяся во времени, рассматривается в предположении, что рабочий газ инертен, а плазма состоит из трех разновидностей: положительных однозарядных ионов, нейтральных атомов и ионов.
Была построена система уравнений, исходя из анализа простых процессов в высокочастной разреженной плазме, описывающая постоянное состояние анти-нейтрального течения высокочастной разреженной плазмы. В работе представлены относительно квадратов модулей конечные уравнения Максвелла второго порядка, преобразованные для высокочастного ЭМ поля в неоднородно проводящей среде. На основе взаимодействия ВЧ плазмы низкого давления со стенками разрядной и вакуумной камер формируются граничные условия с условием специфичности этого взаимодействия.
Целью выпускной квалификационной работы является расчет характеристик электромагнитного поля и концентрации электронов в ВЧ разряде, образующиеся в плазмотроне при низких давлениях.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
- обзор литературы по изучаемой теме;
- подготовка математической модели характеристик электромагнитного поля и концентрации электронов в ВЧ разряде;
- разработка алгоритма решения;
- разработка программах расчета;
- тестирование программах;
- расчет электромагнитного поля и концентрации электронов в ВЧ- плазмотроне;
- анализ результатов.
Таким образом, построен алгоритм расчета модуля напряженности электрического и магнитного полей, концентрации электронов и температуры.
В ходе работы была составлена система уравнений (3.1) и поставлены граничные условия (3.2).
Разработаны алгоритм и программа на языке C++ для расчета вышеперечисленных характеристик. Проведен их расчет. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с известными экспериментальными данными, что показано в гл.4.
