Simulace a diagnostika vysokofrekvenčních výbojů pro syntézu nanomateriálů

Bc. Adam Obrusník

Master's thesis

Simulation and diagnostics of high frequency discharges for synthesis of nanomaterials

Abstract:

Tato práce se věnuje popisu a charakterizaci vysokofrekvenčních výbojů jak experimentálně, tak pomocí teoretických modelů, které jsou validovány proti experimentu. Nejprve je uveden model dynamiky plynů v radiofrekvenční plazmové tužce, jehož platnost je ověřena porovnáním s výsledky z laserem-indukované fluorescence. Dále byly provedeny relativně rozsáhlé diagnostické studie mikrovlnného pochodňového výboje, který pracuje v argonu, případně argonu a vodíku, za atmosferického tlaku. Plazma pochodňového výboje bylo diagnostikováno pomocí Thomsonova a Rayleighova rozptylu a Starkova rozšíření. Výsledky z těchto experimentů posloužily jako experimentální vstup do provázaných modelů elektrického pole a dynamiky plynu popisujících tentýž výboj. V neposlední řadě byl vyvinut a implementován self-konzistentní model nízkotlakého vodíkového plazmatu v koaxiálním mikrovlnném reaktoru. Tento model je unikátní tím, že kombinuje trojrozměrnou geometrii pro elektromagnetické pole s dvojrozměrnou geometrií pro rovnice plazmatu a je tak schopen popsat prostorové nehomogenity plazmatu. Správnost modelu byla ověřena proti experimentálním výsledkům publikovaným v literatuře. Zmíněné modely reálných aparatur byly doplněny dvěma testovacími modely se známými výsledky, které ověřují správnost použité metody.

Abstract:

The aim of this thesis is to characterize three high-frequency discharges, by plasma diagnostics and theoretical models validated against experiment. Firstly, a gas dynamics model of the radio-frequency plasma pencil is presented and validated against laser-induced fluorescence measurements. Secondly, a relatively extensive diagnostic study by Thomson and Rayleigh scattering and Stark broadening was performed in an atmospheric-pressure microwave plasma torch operating in argon or argon/hydrogen. The results from these experiments provide the necessary experimental input for a gas dynamics model coupled to an electromagnetic field model. Finally, a self-consistent plasma model of low-pressure hydrogen plasma in a coaxial microwave discharge was developed and presented. The model is unique by combining two-dimensional and three-dimensional geometries, in order to be able to account for plasma inhomogeneities. The hydrogen plasma model is successfully verified against experimental results presented by other authors. A part of the work is also dedicated to two relevant validation cases with known results.

Keywords

mikrovlnné výboje, radiofrekvenční výboje, plazma, simulace, modelování plazmatu, diagnostika plazmatu, Thomsonův rozptyl, Rayleighův rozptyl, Starkovo rozšíření, microwave discharges, radio-frequency discharges, plasma, simulations, plasma modelling, plasma diagnostics, Thomson scattering, Rayleigh scattering, Stark broadening

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2014
• Supervisor: doc. Mgr. Lenka Zajíčková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Plasma Physics