Module Plasma

Modélisez les décharges plasma basse température

Les plasmas sont des systèmes multiphysiques importants qui impliquent de la mécanique des fluides, des réactions chimiques, de la cinétique physique, du transfert de chaleur, du transfert de masse et de l'électromagnétisme. Le module Plasma est un produit complémentaire spécialisé de COMSOL Multiphysics® pour la modélisation des décharges à l'équilibre et hors équilibre, qui se produisent dans un large panel de disciplines d'ingénierie. Développé pour traiter des systèmes très variés, le module Plasma fournit des paramètres prédéfinis pour la modélisation des décharges à courant continu (DC), des plasmas à couplage inductif (ICP), des plasmas à micro-ondes, des plasmas à couplage capacitif (CCP) et des décharges corona.

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Un modèle 3D avec une bobine carrée en cuivre sur le dessus montrant la température dans la palette de couleurs Inferno.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Plasma

Simulez le comportement des plasmas soumis à diverses excitations électromagnétiques.

Vue rapprochée d'un modèle de réacteur ICP montrant la puissance absorbée.

Plasmas à couplage inductif

Etudiez comment la puissance se transfère au plasma dans un réacteur ICP.1

Une vue rapprochée d'un modèle de réacteur CCP montrant la température et la densité.

Plasmas à couplage capacitif

Modélisez les réacteurs CCP à l'aide d'une interface dédiée qui résout directement le régime permanent en condition périodique.

Vue rapprochée d'un modèle de source de plasma ECR montrant la température.

Sources de plasma à résonance cyclotronique électronique (ECR)

Couplez un modèle de plasma avec des champs magnétiques et des ondes électromagnétiques pour modéliser une source de plasma ECR.1,2

Vue rapprochée d'un graphique 1D montrant le chauffage résistif.

Plasmas excités par micro-ondes

Etudiez les effets du chauffage par micro-ondes dans un plasma.2

Vue rapprochée d'un modèle de décharge DC montrant la densité du plasma.

Décharges à courant continu

Simulez des décharges entretenues par une tension ou un courant continu.

Vue rapprochée d'un modèle de décharge corona montrant la densité d'ions négatifs.

Décharges Corona

Calculez la distribution spatiale des espèces chargées dans les décharges corona.

Une vue rapprochée de deux sphères montrant un claquage électrique.

Décharges électriques

Déterminez si le gaz d'un système à haute tension DC peut subir une décharge.

Vue rapprochée d'un modèle de précipitateur électrostatique montrant le champ électrique et les trajectoires des particules.

Précipitateurs électrostatiques

Suivez les trajectoires des particules chargées et calculez la probabilité de transmission dans un précipitateur électrostatique.3

Vue rapprochée d'un modèle de plasma d'arc DC montrant la température.

Plasmas d'arcs

Simulez la distribution de température dans un plasma d'arcs et dans les matériaux en contact.1

Vue rapprochée d'un modèle de torche à plasma ICP montrant la température.

Torches ICP

Etudiez les caractéristiques électriques et thermiques d'une torche ICP à pression atmosphérique.1

Un graphique 1D montrant l'évolution temporelle et le champ électrique réduit.

Modèles globaux de plasma

Modélisez les réacteurs plasma à l'aide de modèles globaux pour des paramétrages rapides et des chimies complexes, incluant l'équation de Boltzmann.

Un graphique 1D montrant les fonctions de distribution d'énergie des électrons.

Fonctions de distribution de l'énergie électronique (EEDF)

Calculez les EEDF et obtenez les paramètres de transport des électrons et les termes sources pour les utiliser dans les modèles fluides de plasmas.

Une vue rapprochée de deux graphiques de réacteurs ICP montrant la puissance absorbée.

Optimisation de l'uniformité du plasma

Optimisez la conception et le positionnement de la bobine d'un réacteur ICP pour obtenir l'uniformité du plasma.4

Un graphique 1D montrant la distribution de l'énergie ionique.

Fonction de distribution de l'énergie ionique

Calculez la fonction de distribution de l'énergie des ions sur les surfaces.3

  1. Nécessite le module AC/DC
  2. Nécessite le module RF
  3. Nécessite le module Particle Tracing
  4. Nécessite le module Optimization

Caractéristiques et fonctionnalités du module Plasma

Le module Plasma fournit des outils spécialisés pour la modélisation des plasmas thermiques et des plasmas basse température.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Plasma en surbrillance et la fenêtre de réglages correspondante.

Plasmas hors équilibre

Le module Plasma fournit des interfaces utilisateur intégrées pour la modélisation des réacteurs plasma à basse température qui sont entretenus par un champ électrique soit statique, soit variable dans le temps. Ces interfaces définissent des ensembles d'équations sur les domaines, des conditions aux limites, des conditions initiales, des maillages prédéfinis, des études prédéfinies avec des paramètres de solveur pour des analyses statiques et transitoires, ainsi que des graphiques prédéfinis et des valeurs dérivées. Les équations de transport pour toutes les espèces (électrons, ions et neutres) sont résolues de manière autoconsistante avec l'équation de Poisson. L'équation de l'énergie moyenne des électrons peut également être résolue en modélisant la façon dont les électrons gagnent de l'énergie à partir du champ électrique et en perdent lors des collisions avec le gaz ambiant.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Réaction d'impact électronique en surbrillance et un modèle de lampe sans électrode dans la fenêtre graphique.

Réactions chimiques des plasmas

La chimie des plasmas est extrêmement importante pour obtenir des résultats de simulation réalistes. Avec le module Plasma, vous définissez les réactions d'impact électronique, les réactions entre espèces lourdes et les réactions de surface.

La chimie du plasma détermine comment les électrons perdent ou gagnent de l'énergie lors des collisions avec le gaz ambiant. Le module Plasma offre des caractéristiques dédiées à la modélisation des réactions d'impact des électrons qui peuvent entraîner ionisation, excitation ou attachement. Les réactions d'impact des électrons peuvent être définies à partir des données de section efficaces de collisions, et les termes sources peuvent être obtenus par intégration appropriée sur les fonctions de distribution d'énergie électronique.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Couplage de conductivité du plasma en surbrillance et un modèle de réacteur ICP dans la fenêtre graphique.

Interface multiphysique pour la modélisation des réacteurs inductifs ICP

L'interface multiphysique Plasma avec couplage inductif1 est utilisée pour étudier les décharges qui sont entretenues par des courants inductifs. Cette interface multiphysique relie la conductivité du plasma de l'interface Plasma à l'interface Champs magnétiques et couple le chauffage des électrons résultant des courants induits à l'interface Plasma. Le champ magnétique est résolu dans le domaine fréquentiel et le plasma est résolu dans le domaine temporel.

Une vue rapprochée de la fenêtre d'ajout de physique avec le noeud Plasma inductif à l'équilibre en surbrillance et un modèle de torche ICP dans la fenêtre graphique.

Interfaces multiphysiques pour la modélisation des décharges à l'équilibre

Le module Plasma comprend des interfaces pour la modélisation des plasmas à l'équilibre thermodynamique. A l'équilibre thermodynamique, les électrons et les espèces lourdes ont la même température et le plasma peut être caractérisé par une température unique. Pour modéliser les plasmas dans de telles conditions, le module Plasma propose plusieurs interfaces Décharge à l'équilibre basées sur le type d'excitation électrique : Décharge DC à l'équilibre, Plasma inductif à l'équilibre1 et Décharge combinée inductive/DC1. Ces interfaces décrivent le plasma comme un fluide unique avec une température unique dans une approche magnétohydrodynamique. Les interfaces Décharge à l'équilibre couplent les interfaces d'écoulement de fluide, de transfert de chaleur, de champs magnétiques et de courants électriques. La physique du plasma est introduite par des caractéristiques de couplage multiphysique qui incorporent des sources de chaleur spécifiques dans le fluide et via les propriétés du plasma, comme la conductivité électrique, la capacité thermique, le transfert de chaleur par rayonnement, etc.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Paroi en surbrillance et la fenêtre de réglages correspondante.

Conditions limites pour les interactions plasma–surfaces

Dans le cadre des interfaces utilisateur intégrées au module Plasma, il existe différentes conditions aux limites permettant de décrire la manière dont un plasma interagit avec une surface. Par exemple, la densité électronique et les flux d'énergie à une surface sont facilement définis en appliquant la caractéristique Paroi. Cette caractéristique introduit les pertes par transport dans les équations de transport des électrons. Vous pouvez ajouter des sources de flux supplémentaires comme l'émission d'électrons secondaires et les flux d'électrons génériques au niveau d'une surface.

Les flux de particules chargées sont automatiquement calculés aux électrodes et peuvent être ajoutés pour modéliser des circuits externes. Si un diélectrique est en contact avec le plasma, l'accumulation de charge de surface est calculée à partir des flux des espèces chargées à la surface.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Source de chaleur en surbrillance et un modèle de plasma thermique dans la fenêtre graphique.

Analyse CFD et thermique des gaz ambiants

L'interface Plasma peut être combinée avec les interfaces pour les fluides et le transfert de chaleur pour modéliser les écoulements et le chauffage du gaz ambiant. Vous pouvez également simuler le transfert de chaleur dans les matériaux environnant le plasma. Les électrons gagnent de l'énergie à partir du champ électromagnétique et en perdent lors de collisions avec le gaz ambiant. Si la pression est suffisamment élevée, ce mécanisme peut entraîner un réchauffement important à la fois du gaz et de la surface. L'interface Plasma calcule automatiquement les sources de chaleur résultant des réactions du plasma et les rend disponibles pour utilisation dans les interfaces de transfert de chaleur. Les propriétés des fluides, comme la viscosité et la masse volumique, sont également calculées dans l'interface Plasma et mises à disposition dans les interfaces concernant les écoulement de fluides.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Plasma, périodique en temps en surbrillance et un modèle du GEC dans la fenêtre graphique.

Interface physique pour la modélisation des réacteurs capacitifs CCP

Le module Plasma comprend une méthode numérique spécialisée pour la modélisation des CCP avec des temps de calcul nettement réduites par rapport aux méthodes traditionnelles. Au lieu de résoudre dans le domaine temporel, la solution périodique en régime permanent est calculée en ajoutant une dimension supplémentaire aux équations mathématiques sous-jacentes. Cette équation extra-dimensionnelle représente un cycle RF et lui impose des conditions limites périodiques. Cela évite de résoudre des dizaines, voire des centaines de milliers de cycles RF, avant que le plasma n'atteigne sa solution d'équilibre périodique. Cette approche conserve intégralement la non-linéarité du modèle tout en réduisant considérablement le temps de calcul.

Vue rapprochée des paramètres de couplage de conductivité du plasma et d'un modèle de source de plasma micro-ondes dans la fenêtre graphique.

Interface multiphysique pour la modélisation des plasmas micro-ondes

L'interface multiphysique Plasma micro-ondes2 est utilisée pour étudier les décharges qui sont entretenues par des ondes électromagnétiques (décharge alimentée par des ondes). Lorsque vous sélectionnez cette interface, une interface Plasma et une interface Ondes électromagnétiques sont automatiquement générées, ainsi que leurs couplages multiphysiques. La caractéristique Couplage de la conductivité du plasma couple la conductivité du plasma à l'interface Ondes électromagnétiques, et la caractéristique Source de chaleur des électrons couple le chauffage des électrons qui en résulte à l'interface Plasma. Les ondes électromagnétiques sont résolues dans le domaine fréquentiel et le plasma est résolu dans le domaine temporel.

  1. Nécessite le module AC/DC
  2. Nécessite le module RF

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

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