[发明专利]一种稳态微波等离子体的测算方法

说明书

本发明公开了一种稳态微波等离子体的测算方法，该方法采用在稳态微波等离子体条件下，对等离子体的电子密度和介电系数等参数进行宏观等效表征，建立稳态微波等离子体多物理场耦合计算模型，通过迭代求解的过程，寻找到稳态时的电子密度的分布，从而获得稳态等离子体。目的在于避免了产生等离子体的中间复杂的计算过程，直接通过每次稳态下的电子密度的分布进行求解，计算方法简单，且更易于仿真和计算。

技术领域

本发明涉及微波领域，具体涉及一种稳态微波等离子体的测算方法。

背景技术

等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。

目前对微波等离子体的数值模拟，是通过对微波等离子体的激发过程进行建模，但由于等离子体的激发过程是一个强碰撞、强耦合的放电过程，是一个涉及多物理场、多时空尺度、多界面的非线性时空动力学系统，非平衡输运贯穿于等离子体产生、维持和消亡的全过程，表现出等离子体的不稳定性，且激发过程包含诸多的电子、离子和中性粒子之间的化学反应模型，对各物质的玻尔兹曼方程难以求解；且在时域下，计算多个偏微分方程，各个方程之间存在极强的非线性耦合关系，用有限元法对微波等离子体进行三维数值模拟需要极大的网格数和自由度，并且涉及到严重的收敛问题，因而难以通过计算的方法得到一个稳态时的等离子体。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决等离子体在仿真过程中，由于其激发过程复杂，导致难以通过计算的方法得到一个稳态时等离子体的问题，提供了一种稳态微波等离子体的测算方法，该方法采用在稳态微波等离子体条件下，对等离子体的电子密度和介电系数等参数进行宏观等效表征，建立稳态微波等离子体多物理场耦合计算模型，通过迭代求解的过程，寻找到稳态时的电子密度的分布，从而获得稳态等离子体。

本发明采用的技术方案如下：

1)通过软件进行初始建模，根据设定的模拟腔体的微波输入频率、输入功率、模拟腔体内气体的压强、边界条件建立模拟腔体，并设定模拟腔体内气体的相对介电常数和电导率，以及电子密度的初始值n_e0；

2)通过计算得到模拟腔体内电场E的分布状态；

3)根据步骤2)中获得的电场E的分布，以及设定的电子密度的初始值n_e0，计算得到模拟腔体内第一次电子密度的分布n_e1；

4)根据步骤3)中获得的第一次电子密度的分布n_e1，计算得到等离子体介电常数ε_p，并将获得的等离子体介电常数ε_p迭代回步骤2)，继续计算模拟腔体内电场E的分布状态，并重复步骤3)得到第二次电子密度的分布n_e2；

5)将步骤4)中所得到的第二次电子密度的分布n_e2与第一次电子密度的分布n_e1比较，若相同则结束；若不同，则重新进入步骤4)，根据n_e2计算等离子体介电常数ε_p，直至最终所获得的电子密度的分布n_ei与上一次的电子密度的分布n_ei-1相同为止，其中i＝1……n；最终所获得的电子密度的分布n_ei即是计算出的稳态下的微波等离子体。

由于以上技术方案，通过假定初始条件，模拟初次稳态时的电子密度分布状态，并进行有限次迭代的方式，获知最终稳态时的电子密度分布状态，从而通过仿真计算的方式得到模拟腔体中，稳态时等离子体的位置以及大小，为后续的研究提供了基础。

优选的，步骤2)中获得电场分布的计算是通过麦克斯韦方程获得，公式如下：