Capacitively coupled hydrogen plasmas sustained by tailored voltage waveforms: Vibrational kinetics and negative ions control

Un modello ibrido completo di un plasma accoppiato in modo capacitivo all'idrogeno, inclusa una descrizione dettagliata della cinetica vibrazionale molecolare, è stato applicato allo studio dell'effetto di forme d'onda di tensione su misura (TVW) sulla cinetica di produzione e sul trasporto di ioni negativi in ​​questi scarichi. Sono considerati due tipi di TVW, valli-picchi e dente di sega, rispettivamente con ampiezza e asimmetria del pendio. Personalizzando esclusivamente la forma d'onda della tensione, è possibile esercitare un controllo sostanziale sulla densità di picco e sulla posizione degli ioni negativi all'interno del volume di scarica. Questo controllo è particolarmente efficace per le forme d'onda a dente di sega. La comprensione dei meccanismi che consentono questo controllo è fornita da un'analisi dei risultati del modello. Ciò rivela i ruoli della funzione di distribuzione vibrazionale e della distribuzione di energia degli elettroni e le loro correlazioni, nonché i cambiamenti nel trasporto di ioni negativi nel campo elettrico quando si usano TVW diversi. Considerando la reattività chimica degli ioni ioni, la possibilità di un controllo puramente elettrico della nuvola di ioni negativi in ​​un reattore che funziona con un gas di alimentazione diluito da idrogeno può trovare interessanti applicazioni. Questo è il primo studio della cinetica vibrazionale nel contesto delle TVW nei gas molecolari.

A comprehensive hybrid model of a hydrogen capacitively coupled plasma, including a detailed description of the molecular vibrational kinetics, has been applied to the study of the effect of tailored voltage waveforms (TVWs) on the production kinetics and transport of negative ions in these discharges. Two kinds of TVWs are considered, valleys-to-peaks and saw-tooth, with amplitude and slope asymmetry respectively. By tailoring the voltage waveform only, it is possible to exert substantial control over the peak density and position of negative ions inside the discharge volume. This control is particularly effective for saw-tooth waveforms. Insight into the mechanisms allowing this control is provided by an analysis of the model results. This reveals the roles of the vibrational distribution function and of the electron energy distribution and their correlations, as well as changes in the negative ion transport in the electric field when using different TVWs. Considering the chemical reactivity of H- ions, the possibility of a purely electrical control of the negative ion cloud in a reactor operating with a feedstock gas diluted by hydrogen may find interesting applications. This is the first study of vibrational kinetics in the context of TVWs in molecular gases.