ناقش قسم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم) رسالة الماجستير الموسومة ( دراسة دالة توزيع طاقة الالكترونات ومعلمات النقل الالكتروني (الحشد) لمزائج غاز الميثان والنتروجين والعوامل المؤثرة على دالة توزيع طاقة الالكترونات ) للطالبة ( حنين خليل إبراهيم ) التي انجزتها تحت اشراف التدريسي في القسم ( أ.م. د. مصطفى كامل جاسم ) ونوقشت من قبل لجنة المناقشة التي تألفت من الاعضاء المدرجة اسمائهم فيما يأتي :
-
أ.د. حامد حافظ مربط (رئيسا)
-
أ.م.د. بيداء محسن احمد (عضوا)
-
م.د. ايناس احمد جواد (عضوا)
-
أ.م. د. مصطفى كامل جاسم (عضوا ومشرفا)
ويهدف البحث الى دراسة دالة توزيع طاقة الالكترونات ومعلمات الحشد ومعاملات نقل الالكترونات المترافقة للغازين النقيين (النتروجين-الميثان) وخلائطهما بتراكيز مختلفة لمدى كبير من المجال الكهربائي المختزل بحل معادلة بولتزمان من خلال استخدام برنامج المجاني BOLSIG+ اصدار 2016، ومقارنة النتائج مع نتائج الباحثين السابقين خصوصا تلك المتعلقة بالغازين النقيين. فعلى الرغم من توافر دراسات مسهبة كثيرة عن الغازين النقيين في الادب العلمي، ولكن البيانات المتعلقة بخلائط الغازين شحيحة للغاية ولذلك نتائج هذه الرسالة وما تقدمه من بيانات ستضيف شيئا ولو نزرا للمعرفة النظرية العلمية الحالية والتقدم بها الى الامام.
وتم في هذا البحث حل معادلة بولتزمان نظرياً باستخدام برنامج BOLSIG+ لغرض محاكاة التفريغ الكهربائي للغازات بوساطة انموذج المائع في بلازما غازي الميثان CH4 والنتروجين N2 وخلائطهم ضمن قيم مختلفة من المجال الكهربائي المختزل (30-700) Td حيث ان 1Td=1×10-17 Vcm2.
اذ تمت الدراسة نظريا تأثير إضافة غاز النتروجين N2 النقي الى غاز الميثان CH4 بتراكيز مختلفة هي حسب علمنا انها تدرس لأول مرة. ان هذا العمل قد يسهم في تقليل استخدام الميثان في الصناعة والتطبيقات العلمية والذي يسبب بشكل او بآخر في تقليل ظاهرة الاحتباس الحراري وهو إضافة للمعلومات العلمية مثل فيزياء الفضاء كون الغازين متوافرين على عدد من أقمار الكواكب الشمسية.
كذلك تمت دراسة دالة توزيع طاقة الالكترونات EEDF لكل من غازي الميثان CH4 والنتروجين N2 كلاً على حدة ولخلائطهما. وأيضا دراسة معاملات نقل الالكترونات التي تتضمن متوسط طاقة الالكترونات ، والطاقة المميزة ، وتنقلية الالكترونات ، وسرعة انجراف الالكترونات ، ومعامل انتشار الالكترونات ومعلمات الحشد (swarm) المتضمنة كل من معامل تاونسند للتأين المختزل، ومعامل تاونسند للفقدان المختزل ومعامل التأين الفعال المختزل من خلال رسوم بيانية للحسابات المختلفة لهذه المعلمات والمعاملات مقابل المجال الكهربائي المختزل باستخدام برنامج (2019) MATLAB. أيضا تم استخدام برنامج Igor Pro لعمل الملائمة Fitting لجميع معاملات النقل ومعلمات حشد الالكترونات لغرض الحصول على معادلة الملائمة fitting الخاصة بكل متغير من متغيرات البلازما قيد الدراسة لغازي الميثان والنتروجين النقيين باستخدام البرنامج المذكور.
أيضا تمت دراسة العوامل المؤثرة على دالة توزيع طاقة الالكترونات التي تضمنت تأثير التردد الزاوي المختزل، وتأثير درجة التأين على دالة التوزيع في غازي الميثان والنتروجين.
تمت مقارنة حساباتنا مع النتائج النظرية والعملية المتوفرة وقد وجدنا توافقا نسبيا مع تلك النتائج نسبي نظرا لاختلاف طريقة حل معادلة بولتزمان واختلاف مجموعة المقاطع العرضية المستخدمة في الدراستين.
حيث أجريت العمليات الحسابية في ظروف قياسية ثابتة من حيث (ضغط 1 Torr P= ودرجة حرارة T=300K والكثافة العددية للذرات المتعادلة في هذه الظروف ستكون N=).
وخلصت الطالبة الى التوصيات الاتية :
1 – استخدام برامج أخرى في هذه الدراسة مثل برنامج EEDF الذي يقوم بحل معادلة بولتزمان بوساطة التقريب ذي الحدين والاستفادة من المميزات التي يوفرها البرنامج لدراسة إضافة غاز اخر غير دفيء عند خلطه مع الميثان .
2- دراسة تاثير التردد الزاوي المختزل عند قيم مختلفة على معلمات النقل الالكترونات ومعلمات الحشد ومقارنته مع هذه الدراسة التي يكون فيها المجال الكهربائي في الحالة المستقرة staedy state .
3- تطوير العمل لدراسة تاثير كل من المجال الكهربائي والمغناطيسي معا على الغازات المختلفة وخلائطهما .
4- دراسة تاثير تغيرات كل من درجة الحرارة المختلفة واختلاف الضغط على هذه الدراسة .
Studying the electron energy distribution functions and electron transport, (swarm) parameters for Methane – Nitrogen and the factors that affect the distribution functions
By Haneen Khalil Ibrahim
Supervised by Assist. Prof. Dr. Mustafa Kamel Jassim
Abstract
The Boltzmann equation was theoretically solved using the BOLSIG + program for the purpose of simulating the electric discharge of gases by the fluid model in CH4 plasma and nitrogen N2 and their mixtures within different values of the reduced electric field (30-700) Td such that 1Td = 1 × 10-17 Vcm2.
Theoretically, we studied the effect of adding pure N2 nitrogen gas to CH4 methane in different concentrations, which, as to our knowledge, is being studied for the first time. This work may contribute to reducing the use of methane in industry and scientific applications, which in one way or another reduces global warming and can be considered as an addition to scientific information such as space physics, as gases are available on a number of the moons of the solar planets.
The electron energy distribution function EEDF for CH4 and N2 nitrogen has been studied separately and for their mixtures. Also the study involved the electron transport coefficientswhich include the electron mean energy ε, the characteristic energy Ue, the electron mobility, electron drift velocityvd, the electron diffusion coefficient De and the swarm parameters which are included both the ionization Townsend coefficient, the attachment Townsend coefficient and the effective ionization coefficient through graphs of the various calculations of these parameters and coefficients against the reduced electric field using the MATLAB (2019) program. Igor Pro was also used to make Fitting of all electron transport coefficients and swarm parameters for the purpose of obtaining the fitting equation for each of the plasma variables under study for methane and pure nitrogen using the mentioned program.
Also, the factors affecting the electron energy distribution function were studied, which included the effect of the reduced angular frequency, and the effect of the degree of ionization on it in methane and nitrogen.
Our calculations were compared with the available theoretical and experimental results, and we found a relatively consistent agreement with those results, given the difference in the method of solving the Boltzmann equation and the difference of the cross-section set used in the two studies.
The computations were performed in standard conditions (pressure P = 1 Torr and temperature T = 300 K and therefore, the numerical density of neutral atoms in these conditions will be .
The aim of the research
The research aims to study the function of electron energy distribution, crowd parameters and associated electron transfer coefficients for pure gases (nitrogen-methane) and their mixtures with different concentrations for a large range of reduced electric field by solving the Boltzmann equation by using the free program BOLSIG + 2016 edition, and comparing the results with the results of previous researchers, especially those Related to pure gases. Despite the availability of many extensive studies on the pure gases in the scientific literature, but the data on mixtures of the two gases are very scarce, and therefore the results of this thesis and the data it provides will add something, even a scarcity, to the current scientific theoretical knowledge and advance it forward.
Recommendations
– Using other programs in this study, such as the EEDF program, which solves the Boltzmann equation by means of the binomial approximation and takes advantage of the advantages provided by the program to study the addition of another non-warm gas when mixed with methane.
– Study the effect of reduced angular frequency at different values on the electron transport parameters and crowd parameters and compare it with this study in which the electric field is in the steady state.
– Development of work to study the effect of both electric and magnetic fields together on different gases and their mixtures.
– Studying the effect of different temperature and pressure differences on this study.
