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研究生: 駱逸庭
Luo, Yi-Ting
論文名稱: 表面微波電漿火炬之數值模擬研究
Numerical Simulation Study of Surface Wave Based Microwave Plasma Torch
指導教授: 柳克強
Leou, Keh-Chyang
口試委員: 李志浩
Lee, Chih-Hao
張家豪
Zhang, Jia-Hao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 76
中文關鍵詞: 微波電漿表面波電漿數值模擬
外文關鍵詞: Microwave plasma, Surface wave plasma, Numerical simulation
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  • 在過去的幾十年,微波電漿火炬成為了受歡迎的電漿源之一,因為它有結構簡單、在不同的工作環境有高度的彈性,而且不需要電極就能操作。微波電漿火炬可以廣泛運用在多種應用上,例如二氧化碳的分解、製氫、氣化以及汙染物的處理等等。有高的能量耦合效率的微波電漿火炬是需要的,因此如何控制微波電漿火炬的效能,使其能量反射較小,是需要被設計的。本研究主旨為建立微波電漿源之數值模擬模型,模型包含電漿理論、電磁波理論以及流場與熱傳理論,透過探討微波電漿的操作條件與電漿隨參數之變化,掌握微波電漿的基本特性,並且依據所建立之基本微波電漿數值模擬模型設計出高能量耦合效率的結構。
    為符合實務上的需求,設計一個波導管的結構,將微波從腔體上方送入,並且固定輸入的微波功率,以符合實際應用。先以符合表面波模態的微波頻率激發初步電漿分布,再調整微波功率源的頻率至共振頻率,藉以提高微波吸收功率,其穩態結果之微波特性及電漿特性與固定吸收功率之結果相近。


    Over the past several decades, microwave plasma torches have become one of the most popular plasma sources because of their advantages of simple structure, high flexibility in different working environments, and electrodeless working ability. Microwave plasma torches were found to have great potential in a wide range of applications, for example, carbon dioxide dissociation, hydrogen production, gasification, waste diposal, and so on. High power coupling efficiency of microwave plasma torch is necessary, how to control the efficiency of microwave plasma torch to minimum the power reflection needs to be design. The objective of this work is building a numerical simulation model of surface wave plasma, model including the plasma theory, electromagnetic wave theory, as well as gas flow and heating transfer theory. Realizing the features of surface wave plasma by analyzing the simulation. Next, design a microwave plasma torch requiring high power coupling efficiency.
    In order to meet the practical needs, a structure of a waveguide is designed to deliver microwaves from above of the cavity, and the input microwave power is fixed to meet the practical application. First, the initial plasma distribution is excited by the microwave frequency that conforms to the surface wave mode, and then the frequency of the microwave power source is adjusted to the resonant frequency, so as to increase the microwave absorption power. The simulation result is similar to fixed absorbed power.

    目錄 摘要 1 第一章 緒論 8 1.1 研究背景 8 1.2 微波電漿源之簡介 9 1.3 研究動機與目的 10 第二章 文獻回顧 11 2.1 臨界電子密度(critical electron density)文獻回顧 11 2.2 功率、氣體流量和初始溫度對電子密度影響的文獻回顧 12 2.3 電漿參數在不同功率下變化的文獻回顧 14 2.4 文獻回顧結論 16 第三章 物理模型與研究方法 17 3.1 模擬軟體介紹 17 3.2 模擬之物理模型 17 3.2.1 電子傳輸理論 18 3.2.2 離子與中性粒子傳輸理論 21 3.2.3 電磁波理論 24 3.2.4 流場及熱傳理論 26 3.3 模擬之幾何結構與邊界條件 28 3.3.1 電漿區OD- 2cm的幾何結構 28 3.3.2 電漿區OD- 1cm的幾何結構 29 3.3.3 邊界條件 29 3.4 反應式資料庫 30 第四章 表面波電漿源模擬結果 34 4.1表面波電漿源模擬條件與初始參數 34 4.2 微波電漿火炬(Microwave plasma torch)暫態模擬結果 35 4.2.1 電磁場分布 35 4.2.2電漿基本放電特性 39 4.2.3電子加溫模式轉換 42 4.3 微波電漿火炬(Microwave plasma torch)外徑1cm-暫態模擬結果 44 4.3.1 電磁場分布 44 4.3.2電漿基本放電特性 45 4.4 OD-2 cm與 OD-1 cm 之結果比較 47 4.5 外加波導管之電漿腔體結構及模擬條件與初始參數 50 4.6 外加波導管之微波電漿火炬暫態模擬結果 51 4.6.1 電磁場分佈 51 4.6.2 電漿基本放電特性 56 4.7 電漿與功率源耦合之微波特性 58 4.7.1 電漿隨微波吸收功率改變之微波特性 58 4.7.2 電漿隨氣體壓力改變之微波特性 64 4.7.3 電漿共振頻率對電漿特性之效應 67 4.7.4 微波吸收功率對電漿共振頻率之效應 73 第五章 總結 74 參考資料 75 圖目錄 第一章 第二章 圖2- 1電子密度隨功率、氣體流量、初始溫度改變的變化 13 圖2- 2簡單的二維軸對稱模擬幾何模型 14 圖2- 3電子密度隨不同吸收功率的變化 15 圖2- 4電漿相對介電常數的實部隨不同吸收功率的變化 15 圖2- 5電漿導電度的實部隨不同吸收功率的變化 16 第三章 圖3- 1電漿區 OD-2cm 的幾何結構 28 圖3- 2電漿區 OD-1cm 的幾何結構 29 第四章 圖4- 1微波電漿火炬在穩態時的模擬結果 35 圖4- 2微波電漿火炬模擬結果: 電場z分量與磁場phi分量在不同微波相位空間分佈圖 38 圖4- 3微波電漿源模擬結果:腔體中心的電子密度隨時間變化圖 39 圖4- 4微波電漿源在穩態時的模擬結果:(a)電子密度與(b)電漿電位空間分布圖 40 圖4- 5微波電漿源在穩態時的模擬結果:(a)電子溫度與(b)微波功率吸收密度空間分布圖 41 圖4- 6微波電漿源在穩態時的模擬結果:(a)氬原子密度(b)氣體溫度空間分布圖 41 圖4- 7微波電漿火炬模擬結果: 電場強度(E field norm)、電子密度(Ne)、電子溫度(Te)在電漿區中心之軸向分布 43 圖4- 8電場強度(E field norm)、電子密度(Ne)、電子溫度(Te)在電漿區中心之軸向分布 43 圖4- 9微波電漿源模擬結果:微波功率為(a) 0.05 W和(b) 1 W微波功率吸收密度空間分布 44 圖4- 10外徑1cm-微波電漿火炬到達穩態時的模擬結果: (a)電場強度(b)磁場強度空間分布圖 45 圖4- 11外徑1cm-微波電漿火炬到達穩態時的模擬結果: (a)電子密度(b)電漿電位空間分布圖 46 圖4- 12外徑1cm-微波電漿火炬模擬結果: (a)電子溫度與(b)微波功率吸收密度空間分布圖 47 圖4- 13微波電漿源模擬結果: 電漿區中心軸處電子溫度軸向分布圖 48 圖4- 14 S11隨時間的變化 49 圖4- 15外加波導管之幾何結構 50 圖4-16 外加波導管之微波電漿火炬在穩態時的模擬結果:(a)電場強度(b)磁場強度空間分佈圖 52 圖4-17外加波導管之微波電漿火炬模擬結果:電場z分量與磁場phi分量在不同微波相位空間分佈圖 55 圖4-18外加波導管之微波電漿火炬模擬結果: 腔體中心處之電子密度隨時間變化到穩態的結果 56 圖4-19微波電漿源在穩態時的模擬結果:(a)電子密度與(b)電漿電位空間分布圖 57 圖4-20微波電漿源在穩態時的模擬結果:(a)電子溫度與(b)微波功率吸收密度空間分布圖 57 圖4-21微波電漿源在穩態時的模擬結果:(a)氬原子密度(b)氣體溫度空間分布圖 58 圖4-22外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:不同微波吸收功率(P_a)下的S_11頻譜 59 圖4-23 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:不同電漿吸收功率之電子密度與電漿電位空間分佈圖;(a) 2 W (b) 4 W (c) 5 W (d) 10 W (e) 20 W 61 圖4-24 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:不同電漿吸收功率之電子溫度與電漿吸收功率空間分佈圖;(a) 2 W (b) 4 W (c) 5 W (d) 10 W (e) 20 W 63 圖4-25外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:不同氣體壓力之電子密度與電漿電位空間分佈圖;(a) 1 Torr (b) 5 Torr 65 圖4-26 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:不同氣體壓力之電子溫度與電漿吸收功率空間分佈圖;(a) 1 Torr (b) 5 Torr 66 圖4-27 共振頻率的迭代分析流程圖,由S11頻譜找出共振頻率再做為操作頻率重新計算穩態電漿分布及其共振頻率,迭代至操作頻率收斂至共振頻率 68 圖4-28 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:不同功率源操作微波頻率形成的穩態電漿對功率源的功率反射分布 68 圖4-29 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:電漿功率與共振頻率的關係 69 圖4-30 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:功率源操作微波頻率在(a)Absorbed power = 2 W, f= 2.45 GHz (b) Input power = 2 W, f= 2.445 GHz 時之電場強度及磁場強度 70 圖4-31 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:功率源操作微波頻率在(a) Absorbed power = 2 W, f= 2.45 GHz (b) Input power = 2 W, f= 2.445 GHz 時之電子密度及電漿電位分布圖 71 圖4-32 外加波導管之幾何結構之穩態模擬結果:功率源操作微波頻率在(a) Absorbed power = 2 W, f= 2.45 GHz (b) Input power = 2 W, f= 2.445 GHz 時之電子溫度及電漿吸收功率分布圖 72

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