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A Global Enhanced Vibrational Kinetic (GEVKM) model is presented and applied to the simulation of a new High Current Negative Hydrogen Ion Source (HCNHIS) developed by Busek Co. Inc. and Worcester Polytechnic Institute. The HCNHIS consists of a high-pressure radio-frequency discharge (RFD) chamber in which the main production of high-lying vibrational states of the hydrogen molecules occurs, a bypass system, and a low-pressure negative hydrogen ion production (NIP) region where negative ions are generated by the dissociative attachment of low energy electrons to rovibrationally excited hydrogen molecules. The GEVKM is developed from moment equations for multi-temperature chemically reacting plasmas and for a cylindrical geometry of an inductively coupled discharge chamber. The species included into the model are ground state hydrogen atoms H and molecules H2, 14 vibrationally excited hydrogen molecules H2(v), v=1-14, electronically excited hydrogen atoms H(2), H(3), ground state positive ions H+, H2+, H3+, ground state negative ions H-, and electrons e. The space-averaged steady-state continuity equations coupled with the electron energy equation, the total energy equation and heat transfer to the chamber walls, are solved simultaneously in order to obtain the space-averaged number densities of the plasma components, the electron and heavy particle temperatures as well as the wall temperature. The GEVKM is supplemented by a comprehensive set of surface and volumetric chemical processes governing vibrational and ionization kinetics of hydrogen plasmas. The GEVKM is verified and validated in the low pressure, in the intermediate to high-pressure (1-100 Torr) and high absorbed power density (8.26-22 W/cm3) regimes by comparisons with the numerical simulations and experimental measurements. The GEVKM is applied to the simulation of the RFD chamber of the HCNHIS. The GEVKM predictions of negative hydrogen ions number densities and electron temperatures in the RFD chamber of the HCNHIS are used to estimate the negative hydrogen ion current using the Bohm flux approximation. The estimated negative current compare well with the Faraday Cup measurements and provide additional validation of the model. The GEVKM is used in a parametric investigation of the RFD chamber of HCNHIS-2 with hydrogen inlet flow rates 5-1000 sccm and absorbed powers 200-1000 W.

The development and numerical implementation of a three-dimensional Particle-In-Cell (PIC) methodology on unstructured Voronoi-Delauney tetrahedral grids is presented. Charge assignment and field interpolation weighting schemes of zero- and first-order are formulated based on the theory of long-range constraints for three-dimensional unstructured grids. The algorithms for particle motion, particle tracing, particle injection, and loading are discussed. Solution to Poisson's equation is based on a finite-volume formulation that takes advantage of the Voronoi-Delauney dual. The PIC methodology and code are validated by application to the problem of current collection by cylindrical Langmuir probes in stationary and moving collisionless plasmas. Numerical results are compared favorably with previous numerical and analytical solutions for a wide range of probe radius to Debye length ratios, probe potentials, and electron to ion temperature ratios. A methodology for evaluation of the heating, slowing-down and deflection times in 3D PIC simulations is presented. An extensive parametric evaluation is performed and the effects of the number of computational particles per cell, the ratio of cell-edge to Debye length, and timestep are investigated. The unstructured PIC code is applied to the simulation of Field Emission Array (FEA) cathodes. Electron injection conditions are obtained from a Field Emission microtip model and the simulation domain includes the FEA cathode and anode. Currents collected by the electrodes are compared to theoretical values. Simulations show the formation of the virtual cathode and three-dimensional effects under certain injection conditions. The unstructured PIC code is also applied to the simulation of a micro-Retarding Potential Analyzer. For simple cases the current at the collector plate is compared favorably with theoretical predictions. The simulations show the complex structure of the potential inside the segmented microchannel, the phase space of plasma species and the space-charge effects not captured by the theory.

Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung einer kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladung zur Vorbehandlung von Kunststoff-Folien für Vakuum-Beschichtungsverfahren sowie zur Auswirkung der Vorbehandlung auf die applikativen Eigenschaften Al-beschichteter Polypropylen-Folie. Die Ausführung der Entladung in einer Hohlelektroden-Geometrie erlaubt die Vorbehandlung bei hohen Bandgeschwindigkeiten (>3 m/s) (wie sie für industrielle Bedampfungsprozesse üblich ist) aufgrund des unmittelbaren Kontaktes von Substratoberfläche und Plasma. Darüber hinaus erfolgt durch die kapazitive Kopplung der Entladung ein zusätzlicher Ionenbeschuss des Substrates. Die dabei inhärent hohen Ionenenergien (>1 keV) führen zu einer starken Schädigung des Substrates wie anhand von TRIM-Rechnungen gezeigt wird. Mit Hilfe von Plasma-Simulationsrechnungen werden Wege zur Reduzierung der Ionenenergie gezeigt. Insbesondere wird der Einfluss von Magnetfeldern auf Ionenenergieverteilung und Ladungsträgerdichte in HF-Entladungen untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen von Plasma-Simulationsrechnungen wurde eine Plasmaquelle basierend auf einer magnetisch verstärkten HF-Entladung für Substratbreiten von 400 mm entwickelt und in einer Pilotanlage für die industrielle Folienbeschichtung eingebaut. Mit Hilfe dieser Plasmaquelle wurde die in-line Vorbehandlung von Polypropylen-Folie für die Bedampfung mit Aluminium bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/s durchgeführt. In Abhängigkeit von der Vorbehandlungsdosis ist eine deutliche Verringerung der Permeationrate (Wasserdampf und Sauerstoff) sowie eine Zunahme der Schichthaftung zu beobachten. TEM-Untersuchungen zeigen unterschiedliches Kristallitwachstum, je nachdem ob die Al-Schicht auf einer vorbehandelten oder unvorbehandelten Oberfläche aufgewachsen ist. Das zitierte Modell zum veränderten Nukleationsverhalten der Al-Schicht liefert eine plausible Erklärung sowohl zur Veränderung der Permeationseigenschaften als auch zur beobachteten Reduktion des Schichtwiderstandes.

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Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung einer kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladung zur Vorbehandlung von Kunststoff-Folien für Vakuum-Beschichtungsverfahren sowie zur Auswirkung der Vorbehandlung auf die applikativen Eigenschaften Al-beschichteter Polypropylen-Folie. Die Ausführung der Entladung in einer Hohlelektroden-Geometrie erlaubt die Vorbehandlung bei hohen Bandgeschwindigkeiten (>3 m/s) (wie sie für industrielle Bedampfungsprozesse üblich ist) aufgrund des unmittelbaren Kontaktes von Substratoberfläche und Plasma. Darüber hinaus erfolgt durch die kapazitive Kopplung der Entladung ein zusätzlicher Ionenbeschuss des Substrates. Die dabei inhärent hohen Ionenenergien (>1 keV) führen zu einer starken Schädigung des Substrates wie anhand von TRIM-Rechnungen gezeigt wird. Mit Hilfe von Plasma-Simulationsrechnungen werden Wege zur Reduzierung der Ionenenergie gezeigt. Insbesondere wird der Einfluss von Magnetfeldern auf Ionenenergieverteilung und Ladungsträgerdichte in HF-Entladungen untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen von Plasma-Simulationsrechnungen wurde eine Plasmaquelle basierend auf einer magnetisch verstärkten HF-Entladung für Substratbreiten von 400 mm entwickelt und in einer Pilotanlage für die industrielle Folienbeschichtung eingebaut. Mit Hilfe dieser Plasmaquelle wurde die in-line Vorbehandlung von Polypropylen-Folie für die Bedampfung mit Aluminium bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/s durchgeführt. In Abhängigkeit von der Vorbehandlungsdosis ist eine deutliche Verringerung der Permeationrate (Wasserdampf und Sauerstoff) sowie eine Zunahme der Schichthaftung zu beobachten. TEM-Untersuchungen zeigen unterschiedliches Kristallitwachstum, je nachdem ob die Al-Schicht auf einer vorbehandelten oder unvorbehandelten Oberfläche aufgewachsen ist. Das zitierte Modell zum veränderten Nukleationsverhalten der Al-Schicht liefert eine plausible Erklärung sowohl zur Veränderung der Permeationseigenschaften als auch zur beobachteten Reduktion des Schichtwiderstandes.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17984号 / 工博第3813号 / 新制||工||1584(附属図書館) / 80828 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 山川 宏, 教授 松尾 哲司, 准教授 中村 武恒 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21069号 / 工博第4433号 / 新制||工||1689(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 山川 宏, 教授 松尾 哲司, 准教授 海老原 祐輔 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Les instabilités fluides peuvent dégrader le confinement du plasma au sein des tokamaks. Étant données les échelles spatio-temporelles, on choisit les modèles fluides obtenus à partir de la dérivation des modèles cinétiques. On dérive plusieurs modèles hiérarchiques de la MagnétoHydroDynamique (MHD) et en particulier les modèles de la MHD réduite du Current Hole et de l'équilibre de Grad-Shafranov. Une des difficulté de l'ensemble de ces modèles est de respecter l'équation modélisant l'absence de monopôles magnétiques. Pour assurer cette condition en tout point du domaine, le champ magnétique est réécrit avec un potentiel vecteur. L'utilisation de potentiels fait apparaître des équations faisant intervenir des dérivées d'ordre supérieurs. La stratégie numérique développée est l'utilisation de la méthode des éléments finis avec des éléments C1 de Bell. Sur un maillage non structuré, ces éléments ont l'intérêt de présenter une base réduite définir exclusivement avec des variables aux noeuds du maillage. Les modèles de MHD réduite du Current Hole et de Grad-Shafranov ont été résolus avec ces éléments. La résolution du cas test de Grad-Shafranov avec les conditions de bords exactes a permis d'obtenir l'ordre optimale de 5. La résolution du système du Current Hole avec ces éléments, validée par l'obtention du paramètre η1/3, a permis l'observation de développement d'instabilités en dents de scies. / Fluid instabilities can degrade plasma confinement in tokamaks. Given the spatial and temporal scales, we choose the fluid models obtained from the derivation of kinetic models. We derived several hierarchical models of MagnetoHydroDynamic (MHD) and in particular models of reduced MHD like the Current Hole and the Grad-Shafranov equilibrium. One of the difficulty of all these models is to respect the absence of magnetic monopoles equation. To ensure this condition at any point, the magnetic field is rewritten with a vector potential. The use of vector portential implies that higher order derivatives appear in the equation. The numerical strategy is developed using the finite element method with C1 Bell's elements. On a unstructured mesh, these have the advantage to present a reduced basis with degrees of freedom defined exclusively on the nodes of the mesh. The reduced MHD models of the Current Hole and Grad-Shafranov have thus been resolved with these elements. The resolution of a Grad-Shafranov test case with exact boundary conditions yields the optimal order of 5. The resolution of the Current Hole system with thesse elements has been validated by obtaining physical parameter η1/3 and allowed the observation of the development of sawtooth instabilities.