طراحی و شبیه‌سازی سیستم پلاسمای هلیکون با بسامد 13/56 مگاهرتز و توان بسامد رادیویی 1/5 کیلو وات

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده‌ی پلاسما و گداخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 51113-14399، تهران- ایران

2 دانشکده‌ی فیزیک و مهندسی انرژی، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، صندوق پستی: 4413-15875، تهران- ایران

چکیده

در این مقاله، به بررسی و شبیه­سازی یک سیستم چشمه­ی پلاسمای هلیکون با استفاده از آنتن ناگویا، به صورت سه بعدی با استفاده از نرم­افزار شبیه­سازی کامسول مالتی فیزیکس پرداخته شده است. در شبیه­سازی انجام شده، تمام برهم­کنش­ها و پارامترهای مؤثر بر فرایند تولید پلاسما در نظر گرفته شده است، علاوه بر این، سطح مقطع واکنش­هایی که در پلاسما رخ می­دهد از انرژی 0/001ev تا
MeV 1 در نرم­افزار وارد شده است. در این شبیه­سازی، میدان مغناطیسی پیچه­ها G600، جریان آنتن A6، فشار گاز mTorr 10 و شار ورودی گاز (SCCM) 50 در نظر گرفته شده است. در نهایت با استفاده از آنتن ناگویا پلاسمایی با چگالی  2×1018 m-3 و دمای 2.6 eV به دست آمد. این مقاله علاوه بر طراحی و شبیه­سازی چشمه­ی پلاسمای هلیکونی، تأثیر تغییرات جریان اعمال شده به آنتن ناگویا بر چگالی و توان جذب شده­ی پلاسمای هلیکونی را مورد بررسی قرار می­دهد. برای اعتبارسنجی شبیه­سازی انجام شده به مقایسه­ی داده­های تجربی و
شبیه­سازی برای 7 دستگاه هلیکون ساخته شده تاکنون پرداخته شد. مقایسه­ی انجام شده نشان داد که نتیجه­هایی که از شبیه­سازی این سیستم­ها به دست می­آیند به صورت قابل قبولی با داده­های تجربی و آزمایشگاهی گزارش شده مطابقت دارند. هدف اصلی طراحی این چشمه­ی پلاسما، بررسی پارامترهای مؤثر بر افزایش چگالی به منظور استفاده در سیستم باریکه- خنثی (گرمایش کمکی) برای توکامک­های اندازه- کوچک هم­چون توکامک دماوند است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design and simulation of the helicon plasma system with 1.5 kW RF power and 13.56 MHz frequency

نویسندگان [English]

  • S Fazelpour 1
  • A Chakhmachi 1
  • D Iraji 2
  • M Tafreshi 1
  • H Sadeghi 2
چکیده [English]

In this paper, a Helicon plasma system with Nagoya Type III antenna was designed and simulated by using COMSOL Multiphysics 5.2. In our simulation, all effective interactions and parameters in the plasma production process are considered. Besides, the cross-sections of the reactions which are occurred in the plasma with the energy range from 0.001 eV to 1MeV are applied in the software. Meanwhile, the Argon-Helicon plasma is produced by using Nagoya Type III antenna considering the following conditions: the magnetic field of 600 G, the antenna current 6 Ampere, with the operating gas pressure 10 mTorr and inlet gas flux of 50 (SCCM). Finally, the plasma density of the order 2×1018 m-3 and a temperature of 2.6 eV were obtained by using the Nagoya antenna. The effect of the variations of the current, which was applied to the Nagoya antenna, on the density and absorbed power of the Helicon plasma was also investigated. This simulation was made for seven operational helicon devices, and the results have seemed reasonable.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Helicon plasma
  • RF plasmas
  • Simulation

 

 

1. F.F. Chen, In Advanced Plasma Technology, ed. by R. d’Agostino, P. Favia, H. Ikegami, Y. Kawai, N. Sato and F. Arefi-Khonsari (Wiley-VCH, Berlin, 2006), Chap. 6.

2. Y.S. Hwang, I.S. Hong, G.S. Eom, Review of scientific instruments,69, 3, 1344-1348 (1998).

3. F.F. Chen, IEEE Transactions on plasma science, 36, 5, 2095-2110 (2008).

4. F.F. Chen, Plasma Physics and Controlled Fusion,33, 4, 339 (1991).

5. F.F. Chen, Physica Scripta 1990.T,30, 14 (1990).

6. F.F. Chen, Electrical Engineering Department, University of California, Los Angeles, CA 90095–1594, USA.

7. F.F. Chen, Plasma Sources Science and Technology, 21, 5, 055013 (2012).

8. O.V. Braginskii, A.N. Vasil’eva, A.S. Kovalev, Plasma Physics Reports, 27, 8, 699-707 (2001).

9. M. Light, F.F. Chen, Physics of Plasmas, 2, 4, 1084-1093 (1995).

10. A.R. Ellingboe, R.W. Boswell, Physics of Plasmas, 3, 7, 2797-2804 (1996).

11. F.F. Chen, R.W. Boswell, IEEE Transactions on Plasma Science, 25, 6, 1245-1257 (1997).

12. Y. Mouzouris, J.E. Scharer, Physics of Plasmas, 5, 12, 4253-4261 (1998).

13. F.F. Chen, University of Los Angeles Report LTP-806 June, (1998).

14. R.L. Stenzel, J.M. Urrutia, Physics of Plasmas, 23, 9, 092103 (2016).

15. A. Ganguli, R.D. Tarey, Indian Institute of Technology Delhi, New Delhi 110 016, India, CURRENT SCIENCE, 3, 10, 83 (2002).

16. D. Melazzi, V. Lancellotti, Plasma Sources Science and Technology, 24, 2, 025024 (2015).

17. I.V. Kamenski, G.G. Borg, Physics of Plasmas, 3, 12, 4396-4409 (1996).

18. F.F. Chen, Physics of Plasmas, 3, 5, 1783-1793 (1996).

19. T. Windisch, K. Rahbarnia, O. Grulke, T. Klinger, Plasma Sources Science and Technology, 19, 5, 055002 (2010).

20. C.A. Lee, G. Chen, A.V. Arefiev, R.D. Bengtson, B.N. Breizman, Physics of Plasmas,18, 013501 (2011).

21. G. Chen, A.V. Arefiev, R.D. Bengtson, B.N. Breizman, C.A. Lee, L.L. Raja, Physics of plasmas, 13, 123507 (2006).

22. A.W. Molvik, T.D. Rognlien, J.A. Byers, R.H. Cohen, A.R. Ellingboe, E.B. Hooper, H.S. McLean, B.W. Stallard, P.A. Vitello, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 14, 984 (1996).

23. X.M. Guo, J. Scharer, Y. Mouzouris, L. Louis, Physics of Plasmas, 6, 3400 (1999).

24. F.A.N.G. Tong-Zhen, W. Long, J. Di-Ming, Z. Hou-Xian, Chinese Physics Letters, 18, 1098 (2001).