Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА РЯДА ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ОДНОМЕРНОМ ПРИБЛИЖЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЫСТРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ

Работа №38787

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

информатика

Объем работы72
Год сдачи2019
Стоимость5700 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
215
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение 4
Глава 1. Исследования в области высокочастотной плазмы пониженного давления 9
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования высокочастной плазмы пониженного давления 9
1.2. Математическое моделирование процессов в ВЧЕ-разрядах 23
1.3. Обработка в ВЧ -плазме пониженного давления 25
Глава 2. Принципиальная схема высокочастотной емкостной плазменной установки 30
Глава 3. Описание численного метода и программы 33
3.1. Описание общей математической модели 33
3.2. Тестирование метода без учета конвективного члена 36
3.3. Описание и тестирование метода с учетом конвективного
члена 38
3.4. Уравнение неразрывности на концентрацию электронов 41
3.5. Уравнение неразрывности на концентрацию ионов 45
3.6. Уравнение Пуассона 49
3.7. Алгоритм метода 50
3.8. Получение коэффициентов 51
3.9. Блок-схема 53
3.10. Программная реализация 54
Заключение
Литература

Актуальность работы. Перед всеми промышленными предприятиями стоит важный вопрос - повышение качества продукции – увеличение
прочности материалов. С этой целью осуществляется их модификация, то
есть дополнительная обработка. На сегодняшний день наиболее эффективным методом модификации является плазменная обработка в высокочастотных (ВЧ) – разрядах пониженного давления (13,3-133 Па) с продувом
газа [1,2]. Плазма - ионизированный газ, который образован из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов), перемещающиеся с скоростями под влиянием электрических полей. Плазму можно классифицировать на холодную и горячую в зависимости от температуры тяжелых частиц. Горячая плазма представляет собой состояние
ионизированного газа, при котором температура тяжелых частиц составляет порядка сотен тысяч Кельвинов, а в холодной плазме температура –
меньше тысячи Кельвинов.
Плазма ВЧ разрядов пониженного давления обладает рядом свойств:
концентрация электронов 1015 − 1019 м−3, в плазменном сгустке температура атомов и ионов составляет (3 − 4) · 103 К, а в плазменной струе -
(3; 5− 10)· 102 К, электронная температура 1-4 эВ. Также важно отметить,
что на поверхность твердого тела, помещенного в плазменный поток, поступает поток ионов, средняя кинетическая энергия которых составляет 10-100
эВ при плотности ионного тока 0; 3 − 25А=м2. Ионный поток формируется
вследствие ускорения ионов в слое положительного заряда (СПЗ) толщиной 0,5-2 мм, который образуется у поверхности образца из-за колебаний
электронного газа в ВЧ электромагнитном поле. Уменьшение шероховатости поверхности в 2 раза при одновременном увеличение микротвердости
в 2-8 раз, увеличение срока службы в 1,5-2 раза, повышение износоустойчивости изделий на 30-50 % достигается при модификации поверхности
за счет воздействия ионов, чего невозможно получить, используя другие
способы плазменного воздействия.
В настоящий момент известны результаты взаимодействия плазмы
ВЧ- разрядов пониженного давления с различными материалами и зна-
4чительные экспериментальные данные о ее газодинамических, энергетических, электрических свойствах, существуют представления о главных процессах, протекающих на границе с твердым телом в неравновесной низкотемпературной плазме.
Магистерская диссертация направлена на решение актуальной проблемы математического моделирования низкотемпературной плазмы – разработка нового метода расчета характеристик электромагнитного поля и распределения заряженных частиц между обкладками высокочастотной емкостной (ВЧЕ) установки методами математического моделирования в одномерном приближении с помощью метода быстрого преобразования Фурье (БПФ). С помощью найденных характеристик поля и концентрации
заряженных частиц можно выполнить соответствующую настройку ВЧЕустановки, что позволяет сократить время проведения эксперимента. Важным преимуществом является качественная обработка материалов.
Научная новизна. Разработка нового численного метода решения
системы уравнений неразрывности электронов и ионов, уравнения Пуассона на потенциал электромагнитного поля одновременно с помощью БПФ.
Теоретическая и практическая значимость. Существуют установки низкотемпературной плазмы, в частности в Казанском Национальном Исследовательском Технологическом Университете, которые применяются для обработки различных материалов, металлов, диэлектриков и полупроводников. Основными технологическими параметрами ВЧЕ-разряда
являются температура атомов, температура ионов, концентрация электронов , а также температура электронов. Проблема состоит в том, что экспериментально эти параметры определяются довольно сложно, а особенно
в процессе обработки их трудно контролировать. Для упрощения задачи
управления параметрами разряда разрабатываются математическая модель и методы расчета.
Методы, используемые в работе. В данной работе используются методы теоретического исследования, основными из которых является
математическое моделирование и сравнение результатов моделирования и
эксперимента. Математическая модель строится на базе Быстрого преобразования Фурье и метода прогонки, который используется для решения
5уравнений.
Апробация работы. Данные исследования были представлены на
следующих конференциях: итоговая научно-образовательная конференция
студентов Института Физики (Казань, 2017 г.); Международная конференция "XVIII Крымская осенняя математическая школа-симпозиум по спектральным и эволюционным задачам"(КРОМШ-2017) (Ласпи-Батилиман,2017);
Итоговая научная конференция сотрудников Казанского университета (Казань,2018) и опубликованы в работах []. Две статьи представлены в ведущих
рецензируемых научных журналах из перечня ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Цель работы. Целью данной работы является создание программы
и численного метода решения задачи расчета концентрации заряженных
частиц и распределения электрического поля в ВЧЕ-разряде, а конкретнее
решение нелинейной системы уравнений, которая включает в себя уравнения на концентрацию электронов, концентрацию ионов и уравнение Пуассона для потенциала электрического поля.
Задачи работы. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1) изучение теории ВЧ-разряда пониженного давления;
2) вывод математической модели и разработка метода для решения
уравнений концентрации заряженных частиц с учетом влияния высокочастотного электромагнитного поля;
3) разработка алгоритма для решения системы уравнений ВЧЕ-разряда
в одномерном приближении;
4) разработка программы для расчета системы уравнений ВЧЕ-разряда
в одномерном приближении;
5) нахождение оптимальных параметров для управления ВЧЕ-разрядом;
6) автоматизация подбора оптимальных параметров;
7) выполнение расчетов концентрации заряженных частиц,значений
потенциала и напряженности поля;
8) анализ и сравнение результатов программы с экспериментальными
значениями.
Структура работы. Магистерская диссертация изложена на .... страницах, включает в себя введение, четыре главы, состоящих из параграфов,
заключение и список использованной литературы.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

В рамках данной магистерской диссертации был разработан и программно реализован новый метод для расчета характеристик ВЧЕ - разряда пониженного давления в одномерном приближении с помощью быстрого
преобразования Фурье.
В ходе работы выполнены все поставленные задачи: 1) изучена теория
ВЧ-разряда пониженного давления;
2) выводена математическая модель и разработан метод для решения
уравнений концентрации заряженных частиц с учетом влияния высокочастотного электромагнитного поля;
3) разработан алгоритм для решения системы уравнений ВЧЕ-разряда
в одномерном приближении;
4) разработана программа для расчета системы уравнений ВЧЕ-разряда
в одномерном приближении;
5) найдены оптимальные параметры для управления ВЧЕ-разрядом;
6) автоматизирован подбор оптимальных параметров;
7) выполнены расчеты концентрации заряженных частиц,значений потенциала и напряженности поля;
8) проведен сравнительный анализ результатов программы с экспериментальными значениями.
Таким образом, на основе сравнительного анализа можно сделать вывод, что реализованный алгоритм работает корректно. Данные, полученные в результате работы программы можно использовать при настройке
ВЧЕ-установки для обработки материалов различной природы.


Bora B. et al.
Dual radio frequency plasma source: Understanding via electrical
asymmetry effect–Journal of Applied Physics. – 2013. – Т. 113. – №. 15.
– С. 153301.
2. Korolov I. et al. The influence of the secondary electron induced
asymmetry on the electrical asymmetry effect in capacitively coupled
plasmas //Applied Physics Letters. – 2013. – Т. 103. – №. 6. – С. 064102.
3. Yadav P. K. et al. Cleaning of optical surfaces by capacitively coupled RF
discharge plasma //AIP Conference Proceedings. – AIP, 2014. – Т. 1591. –
№. 1. – С. 890-892.
4. Bora B., Soto L. Influence of finite geometrical asymmetry of the electrodes
in capacitively coupled radio frequency plasma //Physics of Plasmas. –
2014. – Т. 21. – №. 8. – С. 083509.
5. Sch?ngel E. et al. Prevention of ion flux lateral inhomogeneities in large
area capacitive radio frequency plasmas via the electrical asymmetry effect
//Applied Physics Letters. – 2015. – Т. 106. – №. 5. – С. 054108.
6. Franek J. et al. Power supply and impedance matching to drive technological
radio-frequency plasmas with customized voltage waveforms //Review of
Scientific Instruments. – 2015. – Т. 86. – №. 5. – С. 053504.
7. Bora B. Effect of driving voltages in dual capacitively coupled radio
frequency plasma: a study by nonlinear global model //Physics of Plasmas.
– 2015. – Т. 22. – №. 10. – С. 103503.
8. Bruneau B. et al. Slope and amplitude asymmetry effects on low frequency
capacitively coupled carbon tetrafluoride plasmas //Journal of Applied
Physics. – 2016. – Т. 119. – №. 16. – С. 163301.
9. Wilczek S. et al. Kinetic interpretation of resonance phenomena in low
pressure capacitively coupled radio frequency plasmas //Physics of Plasmas.
– 2016. – Т. 23. – №. 6. – С. 063514.
6710. Michau A., Arnas C., Hassouni K. Aerosol dynamics in a sputtering DC
discharge //Journal of Applied Physics. – 2017. – Т. 121. – №. 16. – С.
163301.
11. Liu G. H. et al. Experimental investigation of mode transitions in
asymmetric capacitively coupled radio-frequency Ne and CF4 plasmas
//Physics of Plasmas. – 2018. – Т. 25. – №. 2. – С. 023515.
12. Saikia P. et al. The electrical asymmetry effect in a multi frequency
geometrically asymmetric capacitively coupled plasma: A study by a
nonlinear global model //Journal of Applied Physics. – 2018. – Т. 123.
– №. 18. – С. 183303.
13. Novak I. et al. Investigation of beech wood modified by radio-frequency
discharge plasma //Vacuum. – 2015. – Т. 119. – С. 88-94.
14. Iwashita S. et al. Ion energy control and its applicability to plasma enhanced
atomic layer deposition for synthesizing titanium dioxide films //Thin Solid
Films. – 2018. – Т. 660. – С. 865-870.
15. Sun A., Becker M. M., Loffhagen D. PIC/MCC simulation of capacitively
coupled discharges: Effect of particle management and integration
//Computer Physics Communications. – 2016. – Т. 206. – С. 35-44.
16. Iwashita S. et al. Impact of ion energies in Ar/H2 capacitively coupled radio
frequency discharges on PEALD processes of titanium films //Surface and
Coatings Technology. – 2018. – Т. 350. – С. 740-744.
17. Brandt S. et al. Dielectric barrier discharges applied for optical spectrometry
//Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. – 2016. – Т. 123. – С.
6-32.
18. Bora B. et al. Measurements of plasma parameters in capacitively coupled
radio frequency plasma from discharge characteristics: Correlation with
optical emission spectroscopy //Current Applied Physics. – 2013. – Т. 13.
– №. 7. – С. 1448-1453.
6819. Wegner T., Kullig C., Meichsner J. Lighthouse Plasma Instability in a
Capacitive RF Discharge //IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014.
– Т. 42. – №. 10. – С. 2572-2573.
20. Mohr S. et al. Ion distribution functions in electrically asymmetric
capacitively coupled radio-frequency discharges in hydrogen //IEEE
Transactions on Plasma Science. – 2014. – Т. 42. – №. 10. – С. 2376-2377.
21. Iwashita S. et al. Dust hour glass in a capacitive RF discharge //IEEE
Transactions on Plasma Science. – 2014. – Т. 42. – №. 10. – С. 2672-2673.
22. Dosbolayev M. K., Utegenov A. U., Ramazanov T. S. Structural Properties
of Buffer and Complex Plasmas in RF Gas Discharge-Imposed Electrostatic
Field //IEEE Transactions on Plasma Science. – 2015. – Т. 44. – №. 4. –
С. 469-472.
23. Askhatov R. M. et al. Simulation of electron moving in RF capacitively
coupled discharge //Journal of Physics: Conference Series. – IOP
Publishing, 2018. – Т. 1058. – №. 1. – С. 012044.
24. Derzsi A. et al. Electron heating modes and frequency coupling effects in
dual-frequency capacitive CF4 plasmas //Open Chemistry. – 2015. – Т. 13.
– №. 1.
25. Kullig C. Negative Ions and Operation Modes in Capacitively Coupled RF
Oxygen Discharges : дис. – Universitatsbibliothek, 2013.
26. Bojarov A., Radmilovi?-Radjenovi? M., Petrovi? Z. L. Ion energy of argon
ions incident on the electrodes of an EAE CCRF discharge with energy
dependent secondary electron emission model.
27. Matthias P. et al. PIC simulations of capacitively coupled oxygen rf
discharges //The European Physical Journal D. – 2018. – Т. 72. – №. 5. –
С. 86.
28. Mikikian M. et al. Optical diagnostics of dusty plasmas during nanoparticle
growth //Plasma Physics and Controlled Fusion. – 2016. – Т. 59. – №. 1. –
С. 014034.
6929. Orazbayev S. A. et al. A calculation of the electron temperature of complex
plasma of noble gases mixture in CCRF discharge //Contributions to
Plasma Physics. – 2015. – Т. 55. – №. 5. – С. 428-433.
30. Boyle P. C., Robiche J., Turner M. M. Modelling of the dual frequency
capacitive sheath in the intermediate pressure range //Journal of Physics
D: Applied Physics. – 2004. – Т. 37. – №. 10. – С. 1451.
31. Semenov I. L. Moment fluid equations for ions in weakly ionized plasma
//Physical Review E. – 2017. – Т. 95. – №. 4. – С. 043208.
32. Sch?ngel E., Donk? Z., Schulze J. A Simple Model for Ion Flux?Energy
Distribution Functions in Capacitively Coupled Radio?Frequency Plasmas
Driven by Arbitrary Voltage Waveforms //Plasma Processes and Polymers.
– 2017. – Т. 14. – №. 4-5. – С. 1600117

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.