Vojtěch Hrubý: Esej pro předmět Seminář EVF

Podobné dokumenty
Počítačový model plazmatu. Vojtěch Hrubý listopad 2007

Základní experiment fyziky plazmatu

Obr. 141: První tři Bernsteinovy iontové módy. Na vodorovné ose je bezrozměrný vlnový vektor a na svislé ose reálná část bezrozměrné frekvence.

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Studium interakce plazma-pevná látka postupy počítačové fyziky

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Úvod do fyziky plazmatu

Petr Zikán. Studentský seminář, Březen 2011

Úvod do fyziky plazmatu

Přednáška 4. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

2.6. Koncentrace elektronů a děr

Plazma. magnetosféra komety. zbytky po výbuchu supernovy. formování hvězdy. slunce

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Tomáš Ibehej Selfkonzistentní a neselfkonzistentní částicové modelování v sondové diagnostice plazmatu

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

Spojitý popis plazmatu, magnetohydrodynamika

Elektronový obal atomu

VY_32_INOVACE_6/15_ČLOVĚK A PŘÍRODA. Předmět: Fyzika Ročník: 6. Poznámka: Vodiče a izolanty Vypracoval: Pták

VI. Nestacionární vedení tepla

Plazmové metody. Co je to plazma? Jak se uplatňuj. ují plazmové metody v technice?

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

TERMODYNAMIKA Ideální plyn TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Automatická detekce anomálií při geofyzikálním průzkumu. Lenka Kosková Třísková NTI TUL Doktorandský seminář,

Cvičení F2070 Elektřina a magnetismus

Charakteristika a mrtvá doba Geiger-Müllerova počítače

Základy molekulové fyziky a termodynamiky

Úvod do vln v plazmatu

Pomůcky, které poskytuje sbírka fyziky, a audiovizuální technika v učebně fyziky, interaktivní tabule a i-učebnice

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

Kovy - model volných elektronů

METODA MONTE CARLO A PROGRAMOVACÍ JAZYK MATLAB PŘI PŘÍPRAVĚ UČITELŮ NA PEDAGOGICKÝCH FAKULTÁCH

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Samostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Studium kladného sloupce doutnavého výboje pomocí elektrostatických sond: jednoduchá sonda

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

4.1.7 Rozložení náboje na vodiči

Interakce laserového impulsu s plazmatem v souvislosti s inerciální fúzí zapálenou rázovou vlnou

PRINCIPY ZAŘÍZENÍ PRO FYZIKÁLNÍ TECHNOLOGIE (FSI-TPZ-A)

Elektřina a magnetizmus - elektrické napětí a elektrický proud

Metoda Monte Carlo, simulované žíhání

Potenciální proudění

1. Změřte Hallovo napětí v Ge v závislosti na proudu tekoucím vzorkem, magnetické indukci a teplotě. 2. Stanovte šířku zakázaného pásu W v Ge.

VYUŽITÍ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODY MONTE CARLO V SOUDNÍM INŽENÝRSTVÍ

Modelování blízkého pole soustavy dipólů

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Pomůcky, které poskytuje sbírka fyziky, a audiovizuální technika v učebně fyziky, interaktivní tabule

1. Úvod do pružnosti a pevnosti

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

Vazby v pevných látkách

Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů reg. č.: CZ.1.07/2.3.00/

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Valenční elektrony a chemická vazba

Plazmové svařování a dělení materiálu. Jaromír Moravec

Plazmové metody. Elektrické výboje v plynech

Plazma v technologiích

Poloautomatizovaná VA charakteristika doutnavého výboje na tokamaku GOLEM

Od kvantové mechaniky k chemii

2 MATEMATIKA A JEJÍ APLIKACE UČEBNÍ OSNOVY

Reálné gymnázium a základní škola města Prostějova Školní vzdělávací program pro ZV Ruku v ruce

FLUENT přednášky. Metoda konečných objemů (MKO)

Princip metody Transport částic Monte Carlo v praxi. Metoda Monte Carlo. pro transport částic. Václav Hanus. Koncepce informatické fyziky, FJFI ČVUT

Vyučovací předmět: Matematika Ročník: 7.

Mgr. Ladislav Blahuta

1. Dva dlouhé přímé rovnoběžné vodiče vzdálené od sebe 0,75 cm leží kolmo k rovine obrázku 1. Vodičem 1 protéká proud o velikosti 6,5A směrem od nás.

Opakování

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. I. Základní pojmy FCH a kinetická teorie plynů

Kinetická teorie ideálního plynu

Oponentský posudek na inaugurační práci doc. Michala Hnatiče, DrSc.

Studium elektronové struktury povrchu elektronovými spektroskopiemi

podzemních a povrchových vodách pro stanovení pohybu a retence infiltrujících srážek a napájení sledovaných vodních zdrojů.

Měření momentu setrvačnosti

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Teorie náhodných matic aneb tak trochu jiná statistika

Hmotnostní spektrometrie

3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 11: Termická emise elektronů

Skalární a vektorový popis silového pole

Kritický stav jaderného reaktoru

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Vzdělávací oblast: Člověk a příroda. Vyučovací předmět: fyzika. Třída: sekunda. Očekávané výstupy. Poznámky. Přesahy. Průřezová témata.

Matematika - 6. ročník Očekávané výstupy z RVP Učivo Přesahy a vazby desetinná čísla. - zobrazení na číselné ose

IONTOVÉ ZDROJE. Účel. Požadavky. Elektronové zdroje. Iontové zdroje. Princip:

Ionizační manometry. Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich n i = γn ; γ < 1.

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

plazmatu s pevnými látkami

2. Statistický popis plazmatu

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Práce, energie a další mechanické veličiny

Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1

Struktura elektronového obalu

Vyučovací hodiny mohou probíhat v multimediální učebně a odborných učebnách s využitím interaktivní tabule.

Základy elektrotechniky - úvod

Metodický návod: 5. Zvyšování vnějšího napětí na 3 V. Dochází k dalšímu zakřivování hladin a rozšiřování hradlové vrstvy.

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

Test vlastnosti látek a periodická tabulka


Gymnázium, Milevsko, Masarykova 183 Školní vzdělávací program (ŠVP) pro vyšší stupeň osmiletého studia a čtyřleté studium 4.

Transkript:

Vojtěch Hrubý: Esej pro předmět Seminář EVF Plazma Pod pojmem plazma většinou myslíme plynné prostředí, které se skládá z neutrálních částic, iontů a elektronů. Poměr množství neutrálních a nabitých částic může být zcela různý nabité částice v případě slabě ionizovaného plazmatu tvoří výrazně méně než procenta plynu, v tokamacích se naopak setkáváme i s plně ionizovaným plazmatem. Kladné a záporné náboje se však v plazmatu nemusí vyskytovat rovnoměrně rozdělené v objemu. Mohou vznikat oblasti s prostorovým nábojem nebo i proudy. Tyto jevy jsou zdrojem elektrického pole, které uvádí nabité částice do komplikovaného pohybu. Po uplynutí relaxační doby plazma odstíní z velké části potenciály tak, aby byla koncentrace kladného a záporného náboje v rovnováze. Ve vnitřních oblastech plazmatu v rovnováze není důvod k velkým rozdílům v koncentraci kladného a záporného náboje. Zcela rozdílná situace panuje vokolístěnazvláštěpakvblízkostisondyspřipojenýmpotenciálem.vesvé bakalářské práci se věnuji především sondám s kladným potenciálem, protože studuji elektronovou složku plazmatu. Umístíme-li do nenarušeného plazmatu sondu s kladným potenciálem, kladně nabité částice budou od sondy odpuzovány a záporně nabité částice budou přitahovány. Současně okolní nenarušené plazma splňuje Maxwellovo rozdělení rychlostí, a proto z něj přicházejí do sondou narušené oblasti nové částice. Po uplynutí relaxační doby dojde k vytvoření rovnováhy. Ve své práci modeluji plazma, které se skládá z neutrálních atomů argonu, z kladně nabitých iontů argonu a z volných elektronů. V rovnováze se v okolí sondy vytvoří tenká stínící vrstva, která obsahuje pouze zanedbatelné množství kladných iontů. Tato vrstva se běžně nazývá sheath. 1

Modelování jevů v sheathu S příchodem rychlé počítačové techniky se otevřela nová možnost zkoumání jevů v sheathu počítačový model. Ve své bakalářské práci se pokouším ze základních, především teoretických, poznatků o plazmatu vytvořit počítačový model, který by dokázal podat informace o významných jevech v okolí sondy. Analýzou těchto jevů by mohlo být možné rozšířit naše znalosti o charakteristikách Langmuirových sond. Langmuirova sonda je tvořena vodičem, často tenkým drátem válcového průřezu, který slouží k odebírání iontového nebo elektronového proudu z plazmatu. Podle[1] nebyl zatím vytvořen ucelený teoretický popis těchto sond, který by zohlednil i srážkové procesy v plazmatu, které jsou významné zvláště při vyšších tlacích. Můj počítačový model plazmatu je rozdělen na dvě hlavní části: nabité a neutrální částice. Každá část vyžaduje specifický přístup při výpočtech. Nabité částice jsou modelovány metodou molekulární dynamiky. Pohyb každé z nich se řídí Newtonovými rovnicemi, které jsou v modelu řešeny numericky Verletovým algoritmem, který představuje kompromisní volbu mezi přesností výpočtu a nároky na použitý hardware. Částice jsou pod vlivem dvou významných interakcí: coulombické a srážek s neutrály. V pracovní oblasti modelu jsou dva zdroje elektrických sil: nabité částice a sonda. Pro výpočet síly na určitou částici je vhodné vypočítat potenciál elektrického pole v okolí částice. K tomuto účelu používám metodu particle-in-cell(pic), popis viz[2], která je dostatečně rychlá, aby byl výpočet proveditelný. Hledaná síla je potom záporně vzatým gradientem tohoto potenciálu. Použití metody PIC přináší mnohé další výhody, které výrazně zjednodušují výpočet. Srážkové procesy představují podstatně větší problém. Jejich modely se stále vyvíjejí. Zde již nelze snadno oddělit nabité a neutrální částice, protože mezi nimi dochází ke srážkám. V principu by bylo možné modelovat tyto srážky z prvních principů, ale takový model by nebyl prakticky proveditelný na současném hardware. Srážky je proto potřeba modelovat zcela odlišným způsobem. Pro tyto účely je výhodné použít metodu Monte Carlo. 2

Základem metody Monte Carlo je náhodná veličina. Například pro srážku je typická okamžitá vzdálenost mezi srážkami, kterou lze nahradit náhodnou veličinou, jejíž střední hodnota bude stejná jako střední volná dráha. V takovém případě není potřeba modelovat pohyb neutrálních částic, který z hlediska sondy není rozhodující, ale postačí srážky nabitých částic s neutrálními částicemi modelovat metodou Monte Carlo. Vzhledem k tomu, že zkoumané argonové plazma je ionizované jen velmi málo, metoda Monte Carlo přináší obrovské urychlení výpočtu. 250 200 Hustota náboje elektronů Hustota náboje iontů Difúzní řešení [10 6 C m 3 ] 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 r[mm] Graf 1.: Rozdělení hustoty nabitých částic v plazmatu. Válcová sonda o poloměru0,1mmjeumístěnavpočátkusouřadnice rajejípotenciálje10vvůči nenarušenému plazmatu. Zásadní otázkou při realizaci modelu byla volba dimenze problému. Pro válcovou sondu se nabízí možnost práce ve válcových souřadnicích. V první části výpočtu jsem vytvořil jednorozměrný válcový model. Osa sondy je shodná s osou z. To je nejjednodušší možné přiblížení k trojrozměrné reálné situaci. Tato metoda přináší jednu zásadní chybu: částice nemůže sondu obletět. Na počátku 3

je pracovní oblast naplněná nenarušeným plazmatem, jehož koncentrace je difúzním řešením mezi vzdáleným plazmatem o konstantní koncentraci a nulovou koncentrací v těsné blízkosti sondy. Po spuštění výpočtu dojde vlivem pohybu nabitých částic k relaxaci a k ustálení sheathu. Příklad takového stavu je vynesen vgrafu1. V případě válcové konfigurace bylo nutné vypořádat se s šumem v blízkém okolí sondy, protože v této oblasti se nachází příliš malé množství částic a současně je požadována co největší přesnost výpočtu. Z tohoto důvodu jsem zavedl takzvané statistické váhy. Pokud se částice přiblíží k sondě, rozpadne se na dvě fiktivní částice se statistickou vahou 0,5. V ještě menší vzdálenosti od sondy dochází k dalšímu umělému rozpadu na částice s vahou 0,25. Důsledným započítáváním vah lze při stejných nárocích na strojový čas dosáhnout podstatně přesnějších výsledků. Jednorozměrný model je již ve své podstatě velmi zjednodušený, a proto chceme-li srovnávat numerické výsledky s teoretickými poznatky, je potřeba model rozšířit minimálně do dvou dimenzí, aby se uplatnilo například oblétávání sondy nabitými částicemi. Rozhodl jsem se rozšířit svůj model do dvou dimenzí neselfkonzistentním způsobem. To znamená, že potenciál v plazmatu nebudu počítat přímo z hustoty náboje přítomných nabitých částic, ale použiji výsledky jednorozměrného válcového modelu. Tento přístup se opírá o předpoklad, že pohyb jedné částice má zanedbatelný vliv na celkový potenciál v ustáleném plazmatu. Pracovní oblastí neselfkonzistentního dvourozměrného modelu bude opět válec s plazmatem, v jehož ose bude umístěna válcová sonda. Z oblasti nenarušeného plazmatu budou přicházet nabité částice a budou se pohybovat v ustáleném elektrickém poli a budou podstupovat srážky s ostatními částicemi podle dostupných srážkových modelů. Z těchto výsledků bych chtěl určit voltampérovou charakteristiku sondy. Voltampérová charakteristika totiž závisí na srážkových procesech v plazmatu, které jsou z experimentálních dat známy jen přibližně. 4

Zhodonocení dosavadní práce Ve své práci jsem se nejprve seznámil s vlastnostmi Maxwellova rozdělení rychlostí a metodami generování náhodné rychlosti splňující toto rozdělení. Pokračoval jsem v tvorbě jednorozměrného kartézského modelu rovinné sondy v plazmatu. Tato část sloužila především k seznámení se s problematikou počítačového modelování plazmatu. Model jsem dále rozšířil na válcovou jednorozměrnou konfiguraci. Nyní je potřeba do výpočtu začlenit co nejlepší modely srážek. Následovat bude generování závislosti potenciálu na souřadnici v ustáleném stavu a jeho využití v neselfkonzistentním modelu. Nakonec bych rád porovnal své výsledky s dostupnými teoretickými poznatky. Literatura [1] Chen, F. F.: Principles of plasma processing, Los Angeles, 2002 [2] Hrach,R.:PočítačováfyzikaI,PFUJEPÚstínadLabem,2003 5