基于MATLAB二维PIC/MCC模型的实现

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氩气容性耦合直流辉光放电,是一个十分复杂的物理化学过程,它被应用于电子元器件制造、功能性薄膜材料沉积、材料表面微造型等各个领域。放电时各等离子体参量受放电条件的制约,并且相互作用,相互影响。研究这些放电时各参数的分布情况,以及各放电参数的相互作用关系对研究氩气放电有非常重要的意义。  目前比较流行的研究氩气放电过程的模拟程序模块化比较严重,其内部数学模型多不够透明。因此为了能够实现限定条件下氩气放电过程的仿真研究,本文致力于自编程序的建立。  为了达到上述目的,本文从描述等离子体放电过程的基本动力学方程,即玻尔兹曼方程出发。介绍了等离子体放电理论的研究进展,并对近来非常流行的等离子放电数学模型PIC(Particle-In-cell)/MCC(Monte Carlo Collisions)的建立过程进行了详细分析。并根据此数学模型,基于矩阵计算软件MATLAB对等离子放电过程进行建模分析。  最终实现对氩气直流放电过程一维及二维模拟研究,并对结果进行了对比分析。研究了不同放电压强下,等离子体稳定放电时电子密度和放电开始时间的变化规律。认为1200 V电压时,稳定放电时电子密度随着压力的增高呈近直线增长;放电开始时间随着压力的增高而缓慢减小。并用一维和二维模拟结果解释了低气压直流氩气放电过程中,电子密度分布随时间步长的变化趋势;分析了阴极鞘层、稳定等离子体的形成过程。并在二维仿真条件下,模拟得到电子及离子的速度相空间的分布规律和电子温度在二维空间内的分布情况,找到了在仿真条件下,温度最高点出现在坐标(4.7,6)点附近,最高温度接近0.9 eV。
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