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Hydrodynamische Modellierung anisothermer Argonplasmen

  • In der Arbeit werden hydrodynamische Modelle und numerische Verfahren zur theoretischen Beschreibung von anisothermen Plasmen untersucht und zur Analyse von Argonentladungen eingesetzt. Es wird ein neues Vier-Momenten-Modell sowie ein neues Drift-Diffusionsmodell zur Beschreibung der Elektronen hergeleitet. Die Beschreibung der Schwerteilchen erfolgt auf Basis eines Zwei-Momenten-Modells bzw. eines Drift-Diffusionsmodells. Zur selbstkonsistenten Bestimmung des elektrischen Feldes wird die Poisson-Gleichung gelöst. Es wird gezeigt, dass die neu entwickelten Fluid-Modelle eingesetzt werden können, um nichtlokale Transporteffekte der Elektronen zu studieren. Zur Diskretisierung der Mehr-Momenten-Modelle werden neue FCT-Verfahren auf Basis der Finiter-Differenzen- und der Finite-Elemente-Methode hergeleitet. Die Diskretisierung der Drift-Diffusionsmodelle erfolgt mittels einer modifizierten Scharfetter-Gummel-Methode. Zur Unterstützung experimenteller Untersuchungen werden neben einer Niederdruckglimmentladung, einer RF-Entladung bei Niederdruck und einer gepulsten Atmosphärendruckentladung auch eine dielektrisch behinderte Entladung bei Atmosphärendruck analysiert. Es wird gezeigt, dass die experimentell beobachteten Schichtstrukturen auf die lange Lebensdauer metastabiler Argonatome zurückzuführen sind.
  • Hydrodynamic models and numerical methods are analysed and applied for the theoretical description of non-isothermal argon plasmas. A new four-moment model as well as a new drift-diffusion model for the electron component is derived. Heavy particles are described by means of a two-moment model and a drift-diffusion model, respectively. The self-consistent electric field is determined by Poisson's equation. It is pointed out that the fluid models are applicable for the analysis of nonlocal electron transport phenomena. New flux-corrected-transport methods based on the finite-difference method as well as the finite-element method are developed. These methods are applied for the discretization of the moment equations. The discretization of the drift-diffusion models is performed by means of the Scharfetter-Gummel method. In order to support experimental investigations, a low pressure abnormal glow discharge, a rf discharge at low pressure, a pulsed atmospheric pressure glow discharge as well as a dielectric barrier discharge at atmospheric pressure are analysed theoretically. It is shown that experimentally observed striations are caused by the long lifetime of metastable argon atoms.

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Metadaten
Author: Markus Becker
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001234-8
Title Additional (English):Hydrodynamic modelling of non-isothermal argon plasmas
Advisor:Priv.-Doz. Dr. Detlef Loffhagen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/05/08
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2012/05/04
Release Date:2012/05/08
GND Keyword:Atmosphärendruckplasma, Drift-Diffusions-Modell, FCT-Verfahren, Mathematische Modellierung, Nichtisothermisches Plasma
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik