Study of dynamic phenomena in plasma by computer modeling

Abstract

Langmuir probes are widely used in plasma diagnostics, but probe current and sheath dynamics depend strongly on background pressure. This thesis quantifies how pressure affects the transient probe current and sheath size in low- temperature argon plasma. A 2D3V kinetic (PIC/MCC) model is employed with all parameters except pressure held fixed to isolate collisional effects, and the analysis is restricted to the electron-saturation region during transitions between two nearby bias potentials. In near-collisionless conditions, transition times approach the ion plasma oscillation period, whereas at higher pressures they scale with ion mobility, consistent with earlier experimental expectations. The sheath radius stabilizes at least as fast as the probe current and can temporarily expand to about twice its final value during the transient. Overall, collisionality largely sets the time response of Langmuir-probe measurements and must be accounted for in time-resolved measurements. 1

Langmuirovy sondy se široce používají v diagnostice plazmatu, avšak proud sondy a dynamika stínicí vrstvy jsou silně závislé na tlaku pozadí. Tato dis- ertační práce kvantifikuje, jak tlak ovlivňuje přechodový sondový proud a vývoj velikosti stínicí vrstvy v nízkoteplotním argonovém plazmatu. Je použit kinet- ický model 2D3V (PIC/MCC) se zafixovanými parametry kromě tlaku pro izo- laci srážkových efektů. Analýza je omezena na oblast nasyceného elektronového proudu během přechodů mezi dvěma blízkými sondovými potenciály. V téměř bezesrážkových podmínkách se časy přechodů blíží periodě plasmových oscilací iontů, zatímco při vyšších tlacích se škálují s mobilitou iontů, což je v souladu s dřívějšími experimentálními pozorováními. Poloměr stínicí vrstvy se stabilizuje alespoň stejně rychle jako sondový proud a během přechodu se může dočasně zvětšit na přibližně dvojnásobek své konečné hodnoty. Celkově srážky do značné míry určují časovou odezvu měření Langmuirovou sondou a musí být zohledněny při měření s časovým rozlišením. 1