新型等离子分层计算机模型具有制造空间科学用途

在半导体生产和材料加工中使用等离子工艺的制造商将拥有一种新工具，可以使用由位于亨茨维尔的阿拉巴马大学(UAH)和CFDResearchCorp(CFDRC)开发的计算机条纹模型来避免不需要的等离子分层。

“在某些情况下，我们所谈论的条纹在惰性气体中是可见的，”阿拉巴马大学系统UAH空间等离子体和空气研究中心(CSPAR)的首席研究科学家VladimirKolobov博士说。.他研究它们已经30年了。惰性气体是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和这些气体的混合物。

例如，条纹在荧光灯管内使用的氖气中快速移动时肉眼是看不到的，他说，但使用频闪技术可以很容易地看到它们。

“我们谈论的是200年来人们可以看到的东西，但直到最近它们才能在计算机模拟中看到，”Kolobov博士说。

事实上，早在IrvingLangmuir博士引入等离子体这个术语之前，就已经在气体放电中观察到亮层和暗层条纹，他说。

“我们使用了碰撞等离子体的自洽混合模型来获得惰性气体直流放电中的移动条纹，”Kolobov博士说。

“计算出的氖气和氩气中自激波的特性与可用的实验数据一致，并阐明了分层引起的氦等离子体稳定性的起源。使用了简化的两级激发电离模型，忽略了非线性效应由于逐步电离、气体加热和电子之间的库仑相互作用。”

新模型提供了对分层形成条件的见解。

“当你可以开发一个计算机模型并复制它们时，你就知道你了解这个过程，”科洛博夫博士说。

该模型的进一步发展将允许研究在惰性气体中通过实验观察到的不同波型之间的转换。

“扩大等离子体诱导化学将能够研究分子气体和气体混合物中通过实验观察到的条纹，”Kolobov博士说。“分层等离子体计算机模型的可用性将有助于为特定应用选择合适的放电条件。”

Kolobov博士说，新模型是创建一个系统的第一步，该系统可以帮助制造商创造不鼓励在基于等离子体的生产技术中发展等离子体分层的放电条件。

由于太阳风等离子体是完全电离的，但其性质与弱电离气体放电等离子体有许多共同点，因此该工作与空间科学研究所的空间科学研究有关，因此该模型也可用于空间天气预报。

“我们之前已经表明，太阳风等离子体中的电子动力学与气体放电中的电子动力学有许多共同点，”Kolobov博士说。“基于网格的动力学求解器可用于碰撞气体放电等离子体和无碰撞磁化空间等离子体。它们已经在太阳风中的电子动力学中得到证明。”

“像这样的等离子体模型的双重效用说明了UAH和CFDRC伙伴关系的优势以及跨学科合作的重要性，这是支持阿拉巴马州九个机构的FTPP赠款的重要目标之一，包括UAH和CFDRC，”UAH空间科学系AerojetRocketdyne主席、CSPAR主任以及FTPP和CPU2AL资助的首席研究员GaryZank博士说。

“太阳风电子动力学模型的发展使我们对太阳大气中产生的高能电子如何将能量传递到地球及其他地方的理解有了重大进展，”Zank博士说。“很高兴看到相关理论和建模在应用于涉及气体排放的实际制造问题时取得成功。”

通过为低温碰撞等离子体中的电子开发基于网格的动力学求解器，使这项研究成为可能。混合动力流体求解器模型的进步是新FTPP项目的基础研究重点领域之一。

“我们在CFDResearchCorp.和UAH致力于开发此类求解器已近25年，”Kolobov博士说。“终于，当我30年前在我的博士工作中开始研究这个血浆分层问题时，我们终于开发出了一些不可能的东西，这就是我对此感到如此兴奋的原因。”

新的求解器还将允许更好地预测太空天气风暴，这是正在进行的NASASBIR第二阶段项目的重点，该项目在CFDResearch和UAH实施了一个新的辐射、行星际冲击和日冕源工具集，他说。