Advanced numerical methods for the particle-based simulation of complex plasmas

Help

Back »

Details of project

Identifier

105476

Type

Principal investigator

Donkó, Zoltán

Title in Hungarian

Numerikus módszerek komplex plazmák részecskealapú szimulációjára

Title in English

Advanced numerical methods for the particle-based simulation of complex plasmas

Keywords in Hungarian

komplex plazmák, gázkisülések, numerikus szimulációk

Keywords in English

complex plasmas, gas discharges, numerical simulations

Discipline

Physics (Council of Physical Sciences)	100 %
Ortelius classification: Plasma physics

Panel

Physics

Department or equivalent

Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)

Participants

Derzsi, Aranka
Hartmann, Péter
Korolov, Ihor
Kovács, Anikó Zsuzsa
Magyar, Péter

Starting date

2013-01-01

Closing date

2017-03-31

Funding (in million HUF)

21.384

FTE (full time equivalent)

5.75

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A részecske-alapú szimulációs módszerek első elvekre épülnek, a különböző sokrészecske-rendszerek kinetikus jelenségeit korrekt módon tudják leírni. Csoportunk több éve dolgozik alacsonyhőmérsékletű plazmák (saját fejlesztésű kódokkal végzett) számítógépes szimulációja és kísérleti vizsgálata területén. Több esetben elértük a standard szimulációs módszerek alkalmazhatósági korlátait. Egyik célunk most a különböző elvekre épülő részecskeszimulációs módszerek összekapcsolása olyan problémák vizsgálatára, amelyek eddig nem voltak megoldhatók. Erre két példa: (i) a Monte Carlo és molekuladinamikai szimulációk egymásba fonásával vizsgáljuk az elektrontranszportot gázokban olyan körülmények között, amikor jelentős elektron-elektron kölcsönhatások lépnek fel, valamint (ii) a molekuladinamikai szimulációkban alkalmazott eljárásokat 'Particle-in-Cell' kódunkba beépítve analizáljuk a rádiófrekvenciás gerjesztésű plazmákban fellépő kollektív gerjesztéseket. Ezek mellett vizsgáljuk az elektrontranszportot különböző gázokban (kísérletileg is) és az elektronok eloszlásfüggvényének relaxációját nemideális plazmákban. A rádiófrekvenciás plazmaforrásoknál tanulmányozzuk a gáz átütésének jelenségét, az elektródák körüli térrész sajátosságait, valamit a (töltéskicserélő folyamatokban keletkezett) gyors semleges részecskék és reaktív plazmákban növekedő porrészecskék hatását a gázkisülések jellemzőire. Kifejlesztünk egy szimulációs kódot kétkomponensű, Coulomb kölcsönhatási potenciálú sokrészecske-rendszerek kollektív gerjesztéseinek elemzésére, és vizsgáljuk árnyékolt rendszerek Yukawa modellen túlmutató (különböző kölcsönhatási potenciállal jellemezhető) változatait.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdései a plazmafizikai sokrészecske-rendszerek alapvető fizikájával, valamint ezek mikroszkópikus folyamatai és a kísérletileg, valamint szimulációkban mérhető jellemzői közötti összefüggésekkel kapcsolatosak. Ezek megértéséhez az út a rendszerek kinetikus, első elveknek megfelelő részecskeszintű szimulációján át vezet. A tervezett munkánk során szerzett ismeretek az alábbiak szerint foglalhatók össze. Meghatározzuk elektronok transzportjellemzőit elektromos térben, különböző tiszta gázokban és levegőben (ez utóbbi a levegőben keltett plazmák fontos alkalmazási területei, az aerodinamikai áramlásszabályozás és orvosi alkalmazások miatt vált érdekessé). A szimulációk segítségével követhetővé válik az elektronok eloszlásfüggvényének relaxációja nemideális plazmákban, valamint elektromos tér és erős elektron-elektron kölcsönhatás együttes jelenlétében. Tisztázzuk a gázok rádiófrekvenciás elektromos térben történő átütésének mechanizmusát, a rádiófrekvenciás plazmaforrások fizikájának egyes részleteit (elektródák körüli réteg tulajdonságait, a plazmában keletkező elektrosztatikus hullámok terjedési módját és diszperzióját). Meghatározzuk, hogy a (töltéskicserélő ütközésekben keletkező) gyors atomok és a reaktív plazmákban növekedő porrészecskék milyen hatással vannak a gázkisülések fizikai jelenségeire. Megadjuk a kékomponensű, Coulomb kölcsönhatású sokrészecske-rendszerek strukturális és termodinamikai jellemzőinek, valamint kollektív gerjesztéseinek analízisét. Tisztázzuk, hogy az izotróp Yukawa modellen túlmutató (részben vonzó, illetve anizotróp) potenciálok alkalmazása miként befolyásolja egykomponensű sokrészecske-rendszerek tulajdonságait.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett munkánkkal a plazmafizikai sokrészecske-rendszerek fizikájának megértéséhez kívánunk hozzájárulni, a lehetőségeinkhez mérten. A rendszerekben fellépő jelenségek egy része nem követhető tisztán elméleti módszerekkel, ezért ezen a területen a szimulációkat egyre nagyobb érdeklődés kíséri. A szimulációk mellett kísérleti munkát is tervezünk, ezek kisebb részben a saját laboratóriumunkban, nagyobb részben együttműködő partnereink laboratóriumaiban lesznek kivitelezve. Így lehetőség lesz a tervezett szimulációs vizsgálatok eredményinek összehasonlítására kísérleti eredményekkel. Más együttműködéseink az elméleti hátteret biztosítják. A különböző megközelítések ilyen szinergikus összekapcsolása már az eddigi munánk során is megvalósult. Az egyes szimulációs módszerek ötvözésével kifejlesztendő új „hibrid“ eljárások a tudomány és alapkutatások más területein is alkalmazásra találhatnak. Bár a tervezett munka alapvetően alapkutatás jellegű, hatással lehet az alkalmazott kutatásokra, illetve az iparra is, ugyanis az alacsonyhőmérsékletű plazmákat széleskörűen alkalmazzák gázlézerekben, fényforrásokban, integrált áramkörök és napelemek gyártásánál, valamint biokompatibilis felületek kialakításánál. Alkalmazhatók marási és leválasztási technológiákban mikron és nano méretskálákon, és mint ionok és semleges részecskék forrásai. Az alacsonyhőmérsékletű plazmák fizikája terén szerzett ismeretek nagymértékben hozzájárultak, és a jövőben is segíteni fogják a csúcstechnológiás ipar számos területét, amint ezt a vezető ipari országok már felismerték.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A plazmák az ismert Univerzum anyagának túlnyomó többségét alkotják. Megtalálhatók különféle asztrofizikai objektumokban (csillagokban, óriásbolygókban, a napszélben), laboratóriumokban, ahol gyakran célpontjai (pl. fúziós berendezések), illetve segítői (pl. analitikus kémiai módszerek) az alap és alkalmazott kutatásoknak, amelyek lényegesen előmozdították modern iparágak (pl. napelem- és integrált áramkör-gyártás, biokompatibilis felületek kialakítása) fejlődését, ezzel komoly társadalmi hasznot hozva. A plazmaforrások mindennapi életünkben is megtalálhatók, lámpákban, plazmaképernyőkben, orvosi berendezésekben. A plazmák komplex rendszerek, amelyekben semleges és töltött részecskék találhatók, gyakran igen széles töltés, tömeg, hőmérséklet és sűrűség skálákon. A fizikai jelenségek széles tárházát mutatják, ezek közül legfontosabbként a hullám- és transzport-jelenségeket, illetve a fázisátalakulásokat említjük. A plazmák viselkedésének és alapjelenségeinek megértése az alapkutatás számára mindig is fontos terület volt, éppen az említett változatos fizikai jelenségeik miatt, illetve azért, mert korrekt matematikai leírásuk komoly kihívást jelent. Ez utóbbihoz igen nagy lendületet adott a számítástechnikai lehetőségek rohamos fejlődése. A jelenleg széles körben hozzáférhető eszközök lehetővé teszik viszonylag nagy méretű rendszerek számítógépes szimulációját. Munkánk során ehhez a nemzetközi kutatási trendhez kívánunk hozzájárulni, olyan szimulációs kódok fejlesztésével, amelyek a vizsgált rendszerek az egyes részecskék szintjén történő leírását teszik lehetővé.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Particle simulation methods are based on first principles and provide an accurate description of kinetic phenomena in a variety of many-body systems. Our group has been working in the field of computational and experimental studies of low-temperature plasmas for several years and has developed different plasma simulation codes. As some of the limitations of these methods were reached, now we intend to develop coupling of the different techniques to open new possibilities. We plan, in particular, (i) to merge the Monte Carlo approach with Molecular Dynamics simulations to study charged particle transport under strongly correlated conditions, and (ii) to use techniques of Molecular Dynamics simulations in our Particle-in-Cell code, to reveal information about collective excitations in low-pressure (radiofrequency-driven) gas discharges in a novel way. Apart from these goals we plan to investigate a range of systems and phenomena including electron transport characteristics in various gases in external electric field and the relaxation of the electron distribution function in non-ideal plasmas (in the presence of strong electron-electron interactions). In the field of radiofrequency-driven plasmas, we plan to study discharge initiation (gas breakdown), the properties of electrode sheath characteristics, and the effects of fast heavy particles and dust particles on the discharge characteristics. We plan to simulate binary strongly-correlated many-body systems to reveal information about the complex structure of collective excitations and to go beyond the Yukawa model of screened many-body systems by studying properties of systems with various interaction potentials.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The key questions of the research are related to the basic physics of complex many-body systems in plasma physics, as well as to the connection between the microscopic processes of these systems, and their characteristics and properties observable in experiments and simulations. This connection can be understood by kinetic, first-principles simulations at the particle level. The new knowledge, that will be gained, is summarized as follows. We will measure electron transport coefficients in various gases, including air, which is of high interest due to medical applications of air plasmas and aerodynamic flow control. We will understand the relaxation of the electron distribution function in nonideal plasmas, and the formation of the electron distribution function under the simultaneous effects of electric field and strong electron-electron interaction. Details of gas breakdown in radiofrequency electric fields, the accurate form of the charge-voltage relation of the electrode sheaths and properties of wave excitation and propagation in radiofrequency discharges will be uncovered. The effects of fast heavy particles (fast atoms, originating from charge transfer reactions) and dust particles in processing radiofrequency discharges will be clarified. Structural, thermodynamic properties, and collective excitations (wave dispersion relations) in multi-component strongly-interacting many-body Coulomb systems will be understood, as well as the influence of different interaction potentials (e.g. of anisotropic and partially attractive character, which go beyond the isotropic Yukawa model) on the properties of strongly-correlated many-body systems.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
With our work we intend to contribute to the understanding of the physics of many-body systems in plasma physics. Although these systems have been studied for some while, some of the scenarios are not tractable by pure theoretical methods, thus simulations gained a lot of interest. Besides simulations we also plan experimental studies (in our laboratory and in laboratories of collaborating partners). This will allow a comparison between simulation and experimental results. Other partners provide the theoretical background. The synergistic coupling of these different approaches has already been realized in our past work. The development of the new "hybrid" simulation tools by merging of "standard" methods is expected to find applications in other fields of science and basic research. Although the planned work is mostly of basic research character, we note, that non-equilibrium low-temperature plasmas are of paramount importance for a variety of plasma processing applications ranging from chip and solar cell manufacturing to the creation of biocompatible surfaces. Amongst others such plasma discharges are used for etching and deposition processes on micron and nano scales, as ion and neutral particle sources, in gas lasers and lighting sources, as well as in medical applications. Thus, gaining knowledge on the physics and characteristics of low-temperature plasmas and plasma sources strongly aids high-tech industries, as it has been recognized in countries that lead international industry.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The plasma state is by far the most common phase of matter in the universe. Plasmas are found in various astrophysical objects (stars, nebulae, giant planets, solar wind) and are present in different forms in laboratories (in fusion devices, in analytical chemistry, etc.) serving basic and applied research, that yielded enormous societal benefit affecting hi-tech industries (solar cell and integrated circuit manufacturing, creation of biocompatible surfaces). They also appear in our everyday life (in lamps, plasma displays, medical techniques, etc.). They are complex systems consisting of different charged and neutral particles, of which the properties (mass, charge, temperature and density) often vary over a large scale. They exhibit a rich variety of phenomena; phase transitions, collective excitations, anomalous transport properties are just a few to mention. The understanding of the properties of various plasmas has been of high interest from the basic research point of view, due to the above-mentioned rich variety of physical phenomena and the challenges in their accurate mathematical description. The latter has been tremendously aided during the last few decades by the dramatic improvement of computational facilities allowing large-scale numerical calculations and simulations to be implemented and executed. Our plan is to develop numerical simulation codes to study plasmas and plasma sources at the particle level.

Final report

Results in Hungarian

A projekt keretében alacsony hőmérsékletű plazmafizikai sokrészecske-rendszerek numerikus modellezésével foglalkoztunk, ill. az eredmények validálására kísérleteket végeztünk. Numerikus vizsgálatainkat első elvekre épülő részecske-alapú szimulációs módszerekkel végeztük, saját fejlesztésű Monte Carlo (MC), molekuladinamikai (MD) és “Particle-in-Cell” (PIC) szimulációs kódjainkkal, illetve ezek (újdonság számba menő) összekapcsolásával. Megmértük és MC szimulációkkal kiszámítottuk elektronok transzportjellemzőit különböző tiszta gázokban és levegőben. Az általunk tervezett és megépített kísérleti berendezés elsőként tette lehetővé az elektronfelhők tér- és időbeli fejlődésének megfigyelését. Az MC és MD szimulációs kódjaink összekapcsolásával követhetővé vált az elektronok eloszlásfüggvényének relaxációja nemideális plazmákban számottevő Coulomb-kölcsönhatás jelenlétében. Egy további berendezés felépítésével vizsgáltuk gázok rádió-frekvenciás (RF) elektromos térben történő átütésének mechanizmusát. PIC szimulációkkal tanulmányoztuk RF plazmaforrások elektródák körüli rétegét, nagyfrekvenciás rezonanciák keletkezését, gyors atomok hatását a gázkisülésre. Az erősen csatolt plazmák területén megadtuk a két-komponensű elektrosztatikus, illetve az egy-komponensű elektrosztatikus + mágneses kölcsönhatású rendszerek kollektív gerjesztéseinek analízisét. MD szimulációkkal meghatároztuk erősen csatolt plazmák kvadratikus statikus struktúrafüggvényeit és válaszfüggvényeit.

Results in English

In the project we have investigated low-temperature plasmas via numerical modeling and conducted experiments to validate our results. Our numerical studies were based on first-principles Monte Carlo (MC), Molecular Dynamics (MD) and Particle-in-Cell (PIC) simulation codes developed by our group. Measurements, as well as MC computations have been carried out for the transport coefficients of electrons in pure gases and air. The experimental system built in our laboratory allowed, for the first time, mapping of the spatio-temporal development of electron avalanches. Via coupling of our MC and MD codes we followed the relaxation of the electron’s distribution function under the conditions of an appreciable Coulomb interaction. Another experimental apparatus has been constructed for the careful measurements of the breakdown of gases under radio-frequency (RF) excitation voltage. The properties of the electrode sheaths and appearance of high-frequency resonances in RF plasma sources have been addressed via PIC simulations, as well as the effect of fast neutrals (created in elastic ion-atom collisions) on the discharge characteristics. As regards to strongly coupled plasmas: we have analyzed via MD simulations the collective mode structures of two-component systems with electrostatic interaction and of single-component systems with electrostatic + magnetic interaction, as well as the quadratic static structure functions of and density response functions of single-component systems.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105476

Decision

Yes

List of publications

Turner MM, Derzsi A, Donkó Z, Eremin D, Kelly SJ, Lafleur T, Mussenbrock T: Simulation benchmarks for low-pressure plasmas: Capacitive discharges, Physics of Plasmas 20: 013507, 2013

Shihab M, Elgendy AT, Korolov I, Derzsi A, Schulze J, Eremin D, Mussenbrock T, Donkó Z, Brinkmann RP: Kinetic simulation of the sheath dynamics in the intermediate radio frequency regime, Plasma Sources Science & Technology 22: 055013, 2013

Korolov I, Derzsi A, Donkó Z, Schulze J: The influence of the secondary electron induced asymmetry on the electrical asymmetry effect in capacitively coupled plasmas, Applied Physics Letters 103: 064102, 2013

Kalman GJ, Hartmann P, Donkó Z, Golden KI, Kyrkos S: Collective modes in two-dimensional binary Yukawa systems, Physical Review E 87: 043103, 2013

Iwashita S, Schüngel E, Schulze J, Hartmann P, Donkó Z, Uchida G, Koga K, Shiratani M, Czarnetzki U: Transport control of dust particles via the electrical asymmetry effect: Experiment, simulation and modelling, Journal of Physics D - Applied Physics 46: 245202, 2013

Hemke T, Eremin D, Mussenbrock T, Derzsi A, Donkó Z, Dittmann K, Meichsner J, Schulze J: Ionization by bulk heating of electrons in capacitive radio frequency atmospheric pressure microplasmas, Plasma Sources Science & Technology 22: 015012, 2013

Hartmann P, Donkó I, Donkó Z: Single exposure three-dimensional imaging of dusty plasma clusters, Review of Scientific Instruments 84: 023501, 2013

Hartmann P, Donkó Z, Ott T, Kählert H, Bonitz M: Magnetoplasmons in rotating dusty plasmas, Physical Review Letters 111: 155002, 2013

Derzsi A, Korolov I, Schünge E, Donkó Z, Schulze J: Electron heating and control of ion properties in capacitive discharges driven by customized voltage waveforms, Plasma Sources Science & Technology 22: 065009, 2013

Derzsi A, Donkó Z, Schulze J: Coupling effects of driving frequencies on the electron heating in electronegative capacitive dual-frequency plasmas, Journal of Physics D - Applies Physics 46: 482001, 2013

Hartmann P, Donkó Z, Rosenberg M, and Kalman G J: Waves in two-dimensional superparamagnetic dusty plasma liquids, Phys. Rev. E 89, 043102, 2014

Derzsi A, Kovács A Zs, Donkó Z, and Hartmann P: On the metastability of the hexatic phase during the melting of two-dimensional charged particle solids, Physics of Plasmas 21, 023706, 2014

Iwashita S, Schüngel E, Schulze J, Hartmann P, Donkó Z, Uchida G, Koga K, Shiratani M and Czarnetzki U: Dust hour glass in a capacitive RF discharge, IEEE Trans. Plasma Science 42, 2672, 2014

Dzhumagulova K N, Masheeva R U, Ramazanov T S , and Donkó Z: Effect of magnetic field on the velocity autocorrelation and the caging of particles in two-dimensional Yukawa liquids, Phys. Rev. E 89, 033104, 2014

Magyar P, Donkó Z, Kalman G J, Golden K I: Linear and quadratic static response functions and structure functions in Yukawa liquids, Phys. Rev. E 90, 023102, 2014

Kalman G.J. , Donkó Z, Hartmann P, Golden K I: Second plasmon and collective modes in binary Coulomb systems, Europhysics Letters 107, 35001, 2014

Donkó Z: First principles calculation of the effect of Coulomb collisions in partially ionized gases, Physics of Plasmas. 21, 043504, 2014

Schulze J, Schüngel E, Derzsi A, Korolov I, Mussenbrock T, Donkó Z: Complex electron heating in capacitive multi-frequency plasmas, IEEE Trans. Plasma Science 42, 2780, 2014

Korolov I, Derzsi A and Donkó Z: Experimental and kinetic simulation studies of radio-frequency and direct-current breakdown in synthetic air, J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 475202, 2014

Schulze J, Donko Z, Derzsi A, Korolov I and Schuengel E: The effect of ambipolar electric fields on the electron heating in capacitive RF plasmas, Plasma Sources Sci. Technol. 23 015019, 2015

Korolov I, Kalman G J, Silvestri L, and Donkó Z: The Dynamical Structure Function of the One-Component Plasma Revisited, Contrib. Plasma Phys., X 1-7, 201400098, 2015