Modellierung und Simulation eines neuartigen mikrowellengetriebenen Plasmajets
Michael Klute
Gegenstand dieser Arbeit ist die Modellierung und Simulation eines neuartigen mikrowellengetriebenen Plasmajets, welcher die kompakten Abmessungen einer miniaturisierten Jetquelle mit den Vorteilen der induktiven Leistungseinkopplung verbindet. Es wird schrittweise eine analytische Beschreibung unter Ausnutzung problemangepasster Näherungen entwickelt, bestehend aus zwei Teilmodellen. Einerseits ein elektromagnetisches Modell auf Basis der Maxwellgleichungen und andererseits ein globales Plasmachemiemodell, in Form von volumengemittelten Bilanzgleichungen.
Die anschließende Simulation verschiedener Plasmaparameter und Betriebszustände bildet die Grundlage für ein vertieftes Verständnis der neuartigen Plasmaquelle. Die zentralen Modellaussagen weden an verfügbaren experimentellen Daten für Stickstoff gespiegelt.
Abschließend wird ein dreidimensionales Modell der Elektronendichte entwickelt, welches den Transport der Elektronen aufgrund von Diffusion und Drift im Rahmen einer partiellen Differentialgleichung beschreibt. Die entstehende Lösung erlaubt es, die Elektronendichte für beliebige Positionen entlang des Gasstroms und für eine große Breite an Betriebsparameter zu berechnen. Zusammenfassend ergibt sich eine umfassende theoretische Charakterisierung, sowohl der physikalischen Grundlagen, als auch der technologierelevanten Eigenschaften der neuen Plasmaquelle.
