Mô phỏng lò phản ứng quang phổ phát xạ plasma với khí argon sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics

ISSN 2354-0575 Journal of Science and Technology28 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 MÔ PHỎNG LÒ PHẢN ỨNG QUANG PHỔ PHÁT XẠ PLASMA VỚI KHÍ ARGON SỬ DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS Phan Thị Tươi1, Phạm Xuân Hiển1, Nguyễn Thị Vân Anh1, Nguyễn Thị Thùy Dương1, Nguyễn Quang Văn2 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 2 Sở công thương tỉnh Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 02/11/2018 Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 26/11/2018 Ngày bài báo được duyệt đăng: 03/12/2018 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, lò phản ứng quang phổ phát xạ plasma với khí Argon (Ar) được mô phỏng sử dụng mô đun Plasma được tích hợp trong phần mềm Comsol Multiphysics. Từ khóa: Quang phổ phát xạ Plasma; Comsol Multiphysics; tiết diện va chạm electron. 1. Giới thiệu Công nghệ plasma ngày càng phát triển và có liên quan đến rất nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Công nghệ plasma vẫn đang cạnh tranh với rất nhiều các ngành công nghệ khác trong các ứng dụng thực tế. Vấn đề lớn nhất của công nghệ này là tìm ra chế độ thích hợp và các thông số plas ma tối ưng trong nhiều cấu hình sẵn có. Để làm được điều này việc sử dụng các phần mềm mô phỏng, các chương trình tính toán có ý nghĩa hết sức quan trọng. Nó không những giúp tiết kiệm thời gian, linh hoạt trong thay đổi các điều kiện mô phỏng và còn giúp tiết kiệm tối đa chi phí so với phương pháp thực nghiệm. Một trong các phần mềm được sử dụng để mô phỏng các plasma trong các ứng dụng công nghiệp nhận được nhiều sự quan tâm nhất đó là phần mềm Comsol Multiphysics. Trong nghiên cứu này quá trình mô phỏng lò phản ứng quang phổ phát xạ với khí Ar sử dụng mô đun plasma được tích hợp trong Comsol Multiphysics sẽ được thực hiện và nghiên cứu. Một trong số các dữ liệu quan trọng được sử dụng để thực hiện việc mô phỏng plasma trong các ứng dụng công nghiệp là thông tin về các tiết diện va chạm electron của các phân tử khí được sử dụng. Tính đúng đắn của các thông số mô phỏng phụ thuộc rất lớn vào tính đúng đắn của các tiết diện va chạm electron. Do đó, trước khi mô phỏng quá trình plasma nào, các tiết diện va chạm electron của chất khí được sử dụng phải được lựa chọn và kiểm chứng tính đúng đắn. Đồng thời dữ liệu này phải được xây dựng theo file dữ liệu chuẩn đã quy định của phần mềm Comsol Multiphysics. Dữ liệu về bộ tiết diện va chạm electron của nguyên tử Ar được lấy từ file dữ liệu chuẩn tích hợp trong thư viện ICP của mô đun Plasma trong phần mềm. Tuy nhiên, tiết diện va chạm đàn hồi của nguyên tử Ar trong file dữ liệu này được thay đổi bằng cách sử dụng các giá trị đã được kiểm chứng và lưu trữ trong tài liệu [1, 2] để tăng độ tin cậy của kết quả mô phỏng. 2. Các bước chính trong mô phỏng quang phổ phát xạ plasma với phần mềm Comsol Multiphysics Bước 1. Xây dựng Model Wizard Bước 1.1: Lựa chọn cửa sổ Model Wizard Bước 1.2: Chọn dạng mô phỏng (1D, 2D, 3D) Bước 1.3: Chọn chế độ mô phỏng quang phổ phát xạ plasma (Inductively Coupled Plasma (ICP)). Bước 2. Chọn Geometry Phần này các Geometry cho các chế độ mô phỏng phát xạ plasma có thể được xây dựng tùy theo thông số của các thiết bị thực bên ngoài. Tuy nhiên để đơn giản có thể tận dụng các mô hình đã được xây dựng và tích hợp sẵn trong thư viện của mô đun Plasma của phần mềm Comsol Multiphysics. Bước 3. Định nghĩa Trong phần này việc định nghĩa các hàm và các biến được thực hiện ứng với từng điều kiện mô phỏng. Bước 4. Thiết lập cho khối quang phổ phát xạ plasma Bước 4.1: Chèn file dữ liệu về các tiết diện va chạm electron của các chất khí sử dụng Dữ liệu về các bộ tiết diện va chạm electron của các chất khí được sử dụng để tạo plasma sẽ được xây dựng theo một quy tắc chuẩn trong một file. Sau đó file này sẽ được chèn vào mô đun plasma để phục vụ cho quá trình mô phỏng. Tiếp theo các dạng biểu thức phản ứng và biểu thức động học sẽ được nhập vào cho từng phản ứng. Bước 4.2: Thiết lập các giá trị mô phỏng ban đầu Bước 4.3: Thiết lập các thông số mô phỏng cho các phản ứng bề mặt: phương trình phản ứng; các điều kiện; biểu thức động học ISSN 2354-0575 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 29 Bước 4.4: Thiết lập các thông số cho “Wall”, “Ground”, các loại hạt, đầu vào, đầu ra, các thuộc tính chất lỏng Bước 5. Lựa chọn vật liệu và thiết lập mesh cho các vùng tác dụng Bước 6. Thực hiện các nghiên cứu Đến bước này quá trình mô phỏng đã sẵn sàng. Ta chỉ cần nhập chuỗi thời gian và tần số cho các giá trị dòng điện cảm ứng. Sau đó vào phần “Results” để kiểm tra các kết quả của quá trình mô phỏng. 3. Kết quả và thảo luận Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong Hình 1-3. Đỉnh mật độ electron xuất hiện ở trung tâm của lò phản ứng GEC ICP, ở phía bên dưới cuộn RF. “Nhiệt độ” electron cũng cao nhất ở phía bên dưới cuộn dây, đó là nơi xảy ra phần lớn sự lắng đọng năng lượng. Kết quả từ Hình 3 cho thấy điện thế plasma có đỉnh khoảng 26.8 V. Hình 1. Mật độ electron trong lò phản ứng GEC ICP Hình 2. “Nhiệt độ” electron trong lò phản ứng GEC ICP ISSN 2354-0575 Journal of Science and Technology30 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Hình 3. Điện thế bên trong lò phản ứng GEC ICP 4. Kết luận Lò phản ứng quang phổ phát xạ plasma với khí Ar đã được mô phỏng sử dụng mô đun Plasma được tích hợp trong phần mềm Comsol Multiphysics. Bộ tiết diện va chạm electron của nguyên tử Ar được lựa chọn là đáng tin cậy do đó kết quả về mật độ electron, “nhiệt độ” electron và điện thế plasma bên trong lò phản ứng quang phổ phát xạ plasma có ý nghĩa quan trọng trong những lĩnh vực có liên quan. Tài liệu tham khảo [1]. Yamabe, Buckman, and Phelps, Measurement of free-free emission from low-energy-electron collisions with Ar. Phys. Rev, 27, 1983, pp.1345. [2]. PHELPS database, retrieved June 4, 2013. SIMULATIONS OF ARGON GASEOUS ELECTRONICS CONFERENCE INDUCTIVELY COUPLED PLASMA REACTOR USING COMSOL MULTIPHYSICS Abstract: In this study, a model of reactor inductively coupled plasma using Argon (Ar) has been studied using Comsol Multiphysics’s built-in Plasma Module. Keywords: Inductive coupled plasma; Comsol Multiphysics; electron collision cross section.