High-performance modeling and simulation of low-temperature and strongly coupled plasmas  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
77653
Type K
Principal investigator Donkó, Zoltán
Title in Hungarian Alacsonyhőmérsékletű és erősen csatolt plazmák modellezése és szimulációja
Title in English High-performance modeling and simulation of low-temperature and strongly coupled plasmas
Keywords in Hungarian erősen csatolt plazmák, alacsonyhőmérsékletű plazmák, gázkisülések, számítógépes szimuláció
Keywords in English strongly coupled plasmas, low-temperature plasmas, gas discharge physics, computer simulation
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Plasma physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Derzsi, Aranka
Hartmann, Péter
Korolov, Ihor
Kovács, Anikó Zsuzsa
Kutasi, Kinga
Schulze, Julian
Starting date 2009-04-01
Closing date 2013-06-30
Funding (in million HUF) 6.226
FTE (full time equivalent) 5.67
state closed project
Summary in Hungarian
A numerikus modellekre épülő szimulációk az elméleti számításokat és kísérleti vizsgálatokat kiegészítő fontos módszerré váltak. Az elmúlt 15 év során szerzett tapasztalataink és kialakított nemzetközi kapcsolataink birtokában a tervezett alapkutatás a nemfúziós plazmafizika két területén megjelenő sokrészecske-rendszerekre irányul. Az alacsony hőmérsékletű nemegyensúlyi plazmák területén egyenáramú és rádiófrekvenciásan gerjesztett gázkisülésekben kívánjuk vizsgálni az elektronok és az ionok kinetikáját, valamint a plazmák nemlineáris és tranziens jelenségeit. Megvizsgáljuk az elektródákból ionbombázás hatására kilépő elektronok szerepét rádiófrekvenciás kisülésekben. Az erősen csatolt plazmák témakörében részletesen kívánjuk vizsgálni sokrészecske-rendszerek (transzportegyütthatókhoz kapcsolódó) korrelációs függvényeit, valamint a molekuladinamikai szimulációkban implementálni fogjuk a Langevin dinamika szerinti leírást, amely véletlenszerűen fluktuáló erőkön keresztül figyelmbe veszi a rendszereket körülvevő háttérplazma hatását. Tanulmányozni kívánjuk egy- és többkomponensű sokrészecske-rendszerek termodinamikai tulajdonságait, valamint kollektív gerjesztéseit. Tervezzük kvantum Monte Carlo számításokból származó potenciálok használatát klasszikus szimulációs programjainkban, kvantumrendszerek kollektív tulajdonságainak közelítő meghatározására. A tervezett munka az említett fizikai rendszerek alapjelenségeinek megértését célozza, elsősorban a numerikus modellezés és szimulációk által nyújtott lehetőségek kihasználásával. A modellezés mellett kísérleteket is tervezünk eredményeink ellenőrzésére. A pályázatban három kutató mellett két egyetemi hallgató szerepel résztvevőként. Eredményeinket nemzetközi folyóiratcikkekben és tudományos konferenciákon fogjuk ismertetni.
Summary
Numerical modeling and simulation in basic research represents today a complementary approach to theoretical calculations and experimental investigations. Based on our experience gained in the field and the international collaborations established during the past 15 years, our planned basic research focuses on the investigation of many-particle systems appearing in two areas of (non-fusion) plasma physics. In the field of low-temperature non-equilibrium plasmas we plan to describe through microscopic simulations the kinetics of electrons and ions in direct-current and radio-frequency discharges, nonlinear and transient effects in the plasma, as well as to study the crucial issue of the importance of electron emission from the electrodes in radiofrequency discharges. In the field of strongly coupled plasmas we plan detailed studies of correlation functions of many-particle systems, which are related to transport coefficients, the implementation of Langevin dynamics in molecular dynamics codes to obtain a more correct description of strongly-coupled systems embedded in a plasma environment, where randomly fluctuating forces act on the system. We plan to study thermodynamic characteritics and properties of collective excitations in single- and multi-component strongly-coupled many-particle systems. We also intend to emulate quantum properties of such systems by using in our classical many-particle codes interaction potentials derived from quantum Monte Carlo simulations. The primary aim of our work is to understand the basic physical phenomena taking place in the above mentioned systems, mainly through utilizing the possibilities of numerical modeling and simulation. We also plan experimental studies to verify our simulation results. Besides the three researchers two students participate in the present application. The research results will be communicated in international scientific journals and at conferences.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Alacsonyhőmérsékletű és erősen csatolt plazmák számos alapjelenségét tanulmányoztuk, nagyrészt numerikus modellezésre és részecskealapú szimulációkra alapozva. Az alacsonyhőmérsékletű plazmák területén a kutatásaink főleg a pár éve felfedezett elektromos aszimmetria effektus köré szerveződtek, amely rádiófrekvenciás (RF) gázkiüslésekben egyidejűleg több harmonikus feszültség alkalmazásával hozható létre. Ilyen gerjesztés mellett vizsgáltuk az elektronok fűtési mechanizmusát, az ionok jellemzőinek (energia és fluxus) egymástól független szabályozhatóságát. Elektronegatív RF plazmákban egy új elektronfűtési mechanizmust azonosítottunk. Az erősen csatolt plazmák területén vizsgáltuk a transzportjellemzők létezésének kérdését kétdimenziós folyadékokban, a kapcsolódó korrelációs függvények analízisével. Tanulmányoztuk a kollektív gerjesztések tulajdonságait egy- és kétrétegű, Yukawa és dipól kölcsönhatási potenciállal jellemezhető rendszerekben. Erősen csatolt elektromosan töltött folyadékokban szimulációk segítségével elsőként észleltük az erős mágneses térben megjelenő magnetoplazmonok magasabb harmonikusait. Vizsgáltuk az erősen kölcsönható sokrészecske-rendszerek viszkoelasztikus viselkedését és hirtelen lehűtött folyadékok kristályosodásának mechanizmusát. Kifejleszettünk egy szimulációs programot kétkomponensű (tetszőleges töltés-, tömeg-, és sűrűségarányú) folyadékok szimulációjára és vizsgáltuk az erősen csatolt folyadékállapotban fellépő kollektív módusokat.
Results in English
We have investigated via modeling and numerical simulations a wide variety of phenomena in low temperature and strongly coupled plasmas. The line of research in the field of low temperature plasma physics has mainly focused on the electrical asymmetry effect in radio-frequency discharges, which develops due to driving the discharge simultaneously by two or more harmonic waveforms. We have studied the electron heating mechanisms, the possibility of independent control of ion properties (energy and flux), under this specific type of excitation. We have identified a novel heating mode in electronegative discharge plasmas. In the field of strongly coupled plasmas we have addressed the question of the existence of transport parameters in two-dimensional systems, investigated collective excitations in single-layer and bilayer configuration of the charged liquids, in which particle interaction is approximated by Yukawa and/or dipole forces. We have identified both via simulations and experiments the existence of gapped excitations in bilayer systems. We have discovered the generation of high harmonic magnetoplasmons, studied the viscoelastic properties of strongly interacting many-particle systems, as well as the crystallization dynamics of quenched strongly coupled liquids. We have developed simulation codes for binary liquids, characterized by an arbitrary charge, mass, and density ratio between the two components, and uncovered the structure of collective modes in such systems.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=77653
Decision
Yes





 

List of publications

  
Z. Donkó, J. Goree, P. Hartmann and Bin Liu: Time-correlation functions and transport coefficients of two-dimensional Yukawa liquids, Physical Review E 79, 026401, 2009
Z. Donkó, J. Schulze, U. Czarnetzki and D. Luggenhölscher: "Self-excited nonlinear plasma series resonance oscillations in geometrically symmetric capacitively coupled radio frequency discharges", Appl. Phys. Lett. 94, 131501, 2009
J Schulze, E Schüngel, U Czarnetzki, Z Donkó: Optimization of the electrical asymmetry effectin dual-frequency capacitively coupled radio frequency discharges: Experiment, simulation, and model”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 106, 063307, 2009
A. Derzsi, P Hartmann, I Korolov, J Karácsony, G Bánó, Z Donkó: “On the accuracy and limitations of fluid models of the cathode region of dc glow discharges”, JOURNAL OF PHYSICS D APPLIED PHYSICS 42, 225204, 2009
P Hartmann, Z. Donkó, G J Kalman, S Kyrkos, K I Golden, M Rosenberg: Collective Dynamics of Complex Plasma Bilayers, PHYSICAL REVIEW LETTERS 103, 245002, 2009
F. J. Gordillo-Vazquez and Z. Donkó: Electron energy distribution functions and transport coefficients relevant for air plasmas in the troposphere: impact of humidity and gas temperature, Plasma Sources Sci. Technol. 18, 034021, 2009
J. Schulze, E. Schüngel, Z. Donkó, and U. Czarnetzki: Excitation dynamics in electrically asymmetric capacitively coupled radio frequency discharges: experiment, simulation, and model, Plasma Sources Sci. Technol. 19 045028, 2010
K. I. Golden, G. J. Kalman, P. Hartmann and Z. Donkó: Dynamics of two-dimensional dipole systems, Phys. Rev. E 82, 036402, 2010
J. Schulze, E. Schüngel , Z. Donkó and U. Czarnetzki: Charge dynamics in capacitively coupled radio frequency discharges, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 225201, 2010
P. Hartmann, A. Douglas, J. C. Reyes, L. S. Matthews, T. W. Hyde, A. Kovács and Z. Donkó: Crystallization Dynamics of a Single Layer Complex Plasma, Phys. Rev. Lett. 105, 115004, 2010
G. J. Kalman , P. Hartmann , K. I. Golden , A. Filinov and Z. Donkó: Correlational origin of the roton minimum, Europhys. Lett. 90, 55002, 2010
M. Bonitz, Z. Donkó, T. Ott, H. Kählert and P. Hartmann: Nonlinear Magnetoplasmons in Strongly Coupled Yukawa Plasmas, Phys. Rev. Lett. 105, 055002, 2010
J. Schulze, E Schüngel, Z Donkó, D Luggenhölscher, U Czarnetzki: Phase resolved optical emission spectroscopy: a non-intrusive diagnostic to study electron dynamics in capacitive radio frequency discharges, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS 43, 124016, 2010
Z. Donkó, J. Schulze, P. Hartmann, I. Korolov, U. Czarnetzki, and E. Schüngel: The effect of secondary electrons on the separate control of ion energy and flux in dual-frequency capacitively coupled radio frequency discharges, Appl. Phys. Lett. 97 081501, 2010
Z. Donkó, J. Goree, and P. Hartmann: Viscoelastic response of Yukawa liquids, Phys. Rev. E 81, 056404, 2010
P. Hartmann, M. Rosenberg, G. J. Kalman, Z. Donkó: Ground-state structures of superparamagnetic two-dimensional dusty plasma crystals, Phys. Rev. E, 84, 016409, 2011
G. J. Kalman, Z. Donkó, P. Hartmann, K. I. Golden: Strong Coupling Effects in Binary Yukawa Systems, Phys. Rev. Lett., 107, 175003, 2011
J. Schulze, E. Schüngel, Z. Donkó, U. Czarnetzki: The electrical asymmetry effect in multi-frequency capacitively coupled radio frequency discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 20, 015017/1-12, 2011
P. Hartmann, M. Cs. Sándor, A. Kovács, Z. Donkó: Static and dynamic shear viscosity of a single-layer complex plasma, Phys. Rev. E, 84, 016404/1-6, 2011
T. Ott, M. Bonitz, P. Hartmann, Z. Donko: Higher harmonics of the magnetoplasmon in strongly coupled Coulomb and Yukawa systems, PHYSICAL REVIEW E 83, 046403, 2011
J. Schulze, A. Derzsi, Z. Donkó: Electron heating and the electrical asymmetry effect in dual-frequency capacitive CF4 discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 20, 024001/1-14, 2011
J. Schulze, Z. Donkó, E. Schüngel, U. Czarnetzki: Secondary electrons in dual-frequency capacitive radio frequency discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 20, 045007/1-13, 2011
M. Stano, N. Pinhao, D. Loffhagen, M. Kucera, Z. Donkó, S. Matejcik: Effect of small admixtures of N2, H2 or O2 on the electron drift velocity in argon: experimental measurements and calculations, Eur. Phys. J. D 65, 489-498, 2011
Z. Donkó, J. Schulze, S. Mueller and U. Czarnetzki: Kinetic simulation of a nanosecond-pulsed hydrogen microdischarge, Applied Physics Letters 98, 251502, 2011
I. Korolov, G. Bánó, Z. Donkó: Experimental investigation of the asymmetric charge exchange reaction in the Ar+–Ni system in the afterglow of a pulsed glow discharge, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 66, 706, 2011
J. Schulze, A. Derzsi, K. Dittmann, T. Hemke, J. Meichsner, and Z. Donkó: Ionization by Drift and Ambipolar Electric Fields in Electronegative Capacitive Radio Frequency Plasmas, Phys. Rev. Lett. 107, 275001, 2011
T. Ott, M. Bonitz, Z. Donkó, H. Kählert, and P. Hartmann: Higher Harmonic Generation in Strongly Coupled Magnetized Two-Dimensional Yukawa Liquids, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 39, NO. 11, 2011
E. Schüngel, J. Schulze, Z. Donkó, and U. Czarnetzki: Power absorption in electrically asymmetric dual frequency capacitive radio frequency discharges, Phys. Plasmas 18, 013503, 2011
U. Czarnetzki, J. Schulze , E. Schüngel and Z. Donkó: The electrical asymmetry effect in capacitively coupled radio-frequency discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 20, 024010, 2011
Z. Donkó: Particle simulation methods for studies of low-pressure plasma sources, Plasma Sources Sci. Technol. 20, 024001, 2011
G. J. Kalman, Z. Donkó, P. Hartmann, K. I. Golden and S. Kyrkos: Collective Modes in Strongly Coupled Binary Liquids, Contrib. Plasma Phys. 52, 234, 2012
S. Iwashita, G. Uchida, J. Schulze, E. Schüngel, P. Hartmann, M. Shiratani, Z. Donkó: Sheath-to-sheath transport of dust particles in a capacitively coupled discharge, Plasma Sources Sci. Technol. 21, 032001, 2012
J. Vorberger, Z. Donkó, I. M. Tkachenko and D. O. Gericke: Dynamic Ion Structure Factor of Warm Dense Matter, Phys. Rev. Lett. 109, 225001, 2012
G. Bánó and Z. Donkó: On the high argon metastable atom density measured near the cathode surface of a hollow cathode discharge, Plasma Sources Sci. Technol. 21, 035011, 2012
Z. Donkó, J. Schulze, U. Czarnetzki, A. Derzsi, P. Hartmann, I. Korolov, E. Schüngel: Fundamental investigations of capacitive radio frequency plasmas: simulations and experiments, Plasma Phys. Control. Fusion 54, 124003, 2012
P. Magyar, I. Korolov and Z. Donkó: Photoelectric Franck-Hertz experiment and its kinetic analysis by Monte Carlo simulation, Phys. Rev. E 85, 056409, 2012
J. Goree, Z. Donkó and P. Hartmann: Cutoff wave number for shear waves and Maxwell relaxation time in Yukawa liquids, Phys. Rev. E 85, 066401, 2012
A. Zs. Kovács, P. Hartmann and Z. Donkó: Dynamic Shear Viscosity in a 2D Yukawa System, Contrib. Plasma Phys. 52, 199, 2012
Z. Donkó, P. Hartmann and P. K. Shukla: Consequences of an attractive force on collective modes and dust structures in a strongly coupled dusty plasma, Phys. Lett. A 376, 3199–3203, 2012
G. J. Kalman, S. Kyrkos, K. I. Golden, P. Hartmann and Z. Donkó: The Roton Minimum: Is it a General Feature of Strongly Correlated Liquids?, Contrib. Plasma Phys. 52, 219, 2012
I. Korolov, Z. Donkó, U. Czarnetzki, J. Schulze: The effect of the driving frequencies on the electrical asymmetry of dual-frequency capacitively coupled plasmas, J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 465205, 2012
K. I. Golden, G. J. Kalman, P. Hartmann, Z. Donkó: Collective Modes in Classical Mass-Asymmetric Bilayers, Contrib. Plasma Phys. 52, 130, 2012
Á. Budea, A. Derzsi, P. Hartmann and Z. Donkó: Shear Viscosity of Liquid-Phase Yukawa Plasmas from Molecular Dynamics Simulations on Graphics Processing Units, Contrib. Plasma Phys. 52, 194, 2012
T. Hemke, D. Eremin, T. Mussenbrock, A. Derzsi, Z. Donkó, K. Dittmann, J. Meichsner and J. Schulze: Ionization by bulk heating of electrons in capacitive radio frequency atmospheric pressure microplasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 22, 015012, 2013
G. J. Kalman, P. Hartmann, Z. Donkó, K. I. Golden and S. Kyrkos: Collective modes in two-dimensional binary Yukawa systems, Phys. Rev. E 87, 043103, 2013
S. Iwashita, E. Schüngel, J. Schulze, P. Hartmann, Z. Donkó, G. Uchida, K. Koga, M. Shiratani, U. Czarnetzki: Transport control of dust particles via the electrical asymmetry effect: experiment, simulation and modelling, J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 245202, 2013
P. Hartmann, I. Donkó and Z. Donkó: Single exposure three-dimensional imaging of dusty plasma clusters, Rev. Sci. Instrum. 84, 023501, 2013
M. M. Turner, A. Derzsi, Z. Donkó, D. Eremin, S. J. Kelly, T. Lafleur, T. Mussenbrock: Simulation benchmarks for low-pressure plasmas: Capacitive discharges, Phys. Plasmas 20, 013507, 2013
I. Korolov, A. Derzsi, Z. Donkó, J. Schulze: The influence of the secondary electron induced asymmetry on the Electrical Asymmetry Effect in capacitively coupled plasmas, Applied Physics Letters, accepted, 2013




 

Events of the project

  
2013-01-22 14:31:15
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Lézerfizikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Komplex Folyadékok Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).
2012-10-19 10:43:46
Résztvevők változása
2010-11-22 11:28:02
Résztvevők változása
2010-06-22 10:21:06
Résztvevők változása



Back »