Soutenance de thèse de Jong Hern MUN

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Décharge DC,Plasma,Modélisation,température ionique,collisionnalité des ions,
Keywords
DC discharge,Plasma,Modelling,Ion temperature,ion collisionality,
Titre de thèse
Importance d'un profil de température ionique non constant dans un modèle fluide de plasma: simulation d'une gaine de plasma
Importance of a non-constant ion temperature profile in plasma fluid model: plasma sheath simulation
Date
Vendredi 28 Juin 2024 à 14:00
Adresse
Faculté des Sciences Site St Jérôme Aix Marseille Université 52 Avenue Escadrille Normandie Niemen 13013 Marseille
PIIM
Jury
Directeur de these M. Olivier AGULLO Aix Marseille Université
Rapporteur M. Luc STAFFORD Université de Montréal
Co-encadrant de these Mme Magali MURAGLIA Aix Marseille Université
CoDirecteur de these M. Lénaïc COUëDEL Aix Marseille Université / University of Saskatchewan
Président M. Andrei SMOLYAKOV University of Saskatchewan
Rapporteur M. Gerjan HAGELAAR Université Toulouse III Paul Sabatier
Examinateur M. Nicolas PLIHON CNRS, ENS Lyon
Examinateur M. Adam BOURASSA University of Saskatchewan

Résumé de la thèse

Cette thèse présente le développement d'une modélisation fluide unidimensionnelle auto-cohérente améliorée des plasmas d'argon dans les décharges à courant continu, y compris les régions de la gaine. Une comparaison de la densité des espèces chargées, de l'énergie moyenne des électrons, du potentiel du plasma et des profils de vitesse des ions avec les profils obtenus par d'autres modèles de fluides et les profils obtenus avec des simulations 1D3V (une dimension dans l'espace et trois dimensions pour la vitesse) Particles-In-Cell a été effectuée. Il est montré que pour une pression d'argon modérée ($10 sim 10^2$ Pa), les collisions d'ions avec des atomes neutres doivent absolument être prises en compte dans le modèle fluide pour simuler avec précision la décharge, en particulier dans la région de la gaine, et qu'un calcul autocohérent du profil de température des ions est nécessaire dans l'ensemble du domaine de simulation. En effet, dans la gaine cathodique où la chute de potentiel est importante, la température des ions peut être supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la température du gaz de fond. On a constaté que les collisions ion-neutre sont responsables d'un élargissement progressif des vitesses des ions dans les directions perpendiculaires à l'axe de simulation dans la gaine de la cathode. Le modèle de fluide révisé résout les équations de moment d'ordre zéro, un et deux pour les électrons et les ions. En outre, une distinction claire entre les directions parallèles et perpendiculaires au champ électrique appliqué a été observée, de sorte que l'hypothèse d'une température isotrope a été abandonnée. Par conséquent, le problème a été réduit à une dimension dans le modèle de fluide pour résoudre la direction parallèle de la décharge. Le nouveau modèle fluide a montré une bien meilleure concordance avec les résultats des simulations PIC, en particulier à l'intérieur de la gaine cathodique. Le nouveau modèle reproduit bien la courbe théorique de Paschen pour les décharges d'argon à courant continu. La limite de basse pression du modèle fluide actuel a également été testée, et les observations mettent en évidence la nécessité d'une analyse similaire pour la collisionnalité des électrons.

Thesis resume

In this thesis, the development of an improved one-dimensional self-consistent fluid modeling of argon plasmas in DC discharges, including the sheath regions, is presented. Comparison of the charged species density, electron mean energy, plasma potential and ion velocity profiles with the profiles obtained by other fluid models and the profiles obtained with 1D3V (one dimension in space and three dimension in velocity) Particles-In-Cell simulations were performed. It is shown that for moderate argon pressure ($10 sim 10^2$ Pa), ion collisions with neutral atoms must absolutely be considered in the fluid model to accurately simulate the discharge, especially in the sheath region, and self-consistent calculation of the ion temperature profile is necessary in the whole simulation domain. Indeed, in the cathode sheath where there is large potential fall, the ion temperature can be several orders of magnitude larger than the background gas temperature. It was found that ion-neutral collisions are responsible for a progressive spreading of the ion velocities in the directions perpendicular to the simulation axis in the cathode sheath. The revised fluid model solves the moment equations of order zero, one and two for both electrons and ions. Also, a clear distinction of parallel and perpendicular directions to the applied electric field was observed, thus the assumption of an isotropic temperature was dropped. Instead, the problem was reduced to one dimension in the fluid model to resolve the parallel direction of the discharge. The new fluid model showed much improved agreement with the PIC results, particularly within the cathode sheath. The new model reproduced well the theoretical Paschen's curve for direct-current argon discharges. The lower pressure limit of the current fluid model was also tested, and the observations highlight the necessity of a similar analysis for the electron collisionality.