ТЕХНОЛОГІЯ МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ПЛАЗМІ ПЕРЕНАПРУЖЕНОГО НАНОСЕКУНДНОГО ГАЗОРОЗРЯДУ ДЛЯ СИНТЕЗУ НАНОСТРУКТУРОВАНИХ ТОНКИХ ПЛІВОК ТА ЇЇ ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ

Анотація

Актуальність. У роботі вперше розроблено технологію, що базується на інтегрованій фізико-математичній моделі спектру випромінювання плазми перенапруженого наносекундного газорозряду, який використовується для синтезу наноструктурованих тонких плівок. Розроблено універсальне програмне забезпечення для моделювання параметрів плазми та її спектру, яке забезпечує інтерактивність та гнучкість для адаптації під різні експериментальні умови. Реалізовано візуалізацію результатів для покращення аналізу та інтерпретації даних. Розроблене ПЗ є ефективним інструментом для наукових досліджень та практичного застосування у фізиці плазми й матеріалознавстві.

Мета. Розробити технологію на базі інтегрованої моделі та програмне забезпечення для аналізу фізико-хімічних процесів у плазмі перенапруженого наносекундного газорозряду для опису динаміки плазмових параметрів, моделювання спектра випромінювання плазми, оптимізації умов синтезу наноструктурованих тонких плівок, створення інструменту для прогнозування параметрів плазми.

Метод. У статті використано комбінований теоретико-експериментальний метод, який включає такі ключові аспекти як математичне моделювання для реалізації фізичної та спектральної моделей для опису основних процесів у плазмі, таких як іонізація газу, рекомбінація, формування електронів-втікачів, ерозія електродів, і утворення кластерів наноструктурованих плівок; використання рівнянь Больцмана для розрахунку розподілу частинок за енергетичними рівнями; розрахунок спектра випромінювання плазми з урахуванням температури, доплерівського розширення ліній і параметрів плазми; представлення спектральних ліній як гаусівських профілів для опису їх ширини та інтенсивності. Реалізовано модель на основі чисельних методів для розв’язання диференціальних рівнянь з використанням мови програмування Python для моделювання фізичних процесів та візуалізації результатів.

Результати. Розроблена технологія, побудовані спектри, проведене чисельне моделювання та розроблене ПЗ підтверджують ефективність розробленої технології на основі математичного моделювання для аналізу плазмових процесів і спектральних характеристик, що відкриває нові можливості для оптимізації плазмових технологій і створення інноваційних матеріалів.

Висновки. Проведено апробацію технології для розрахунку параметрів плазми та спектру випромінювання для експерименту. Особливу увагу приділено моделюванню спектральних ліній для ключових елементів, таких як азот (N), кисень (O) та вольфрам (W), з використанням гаусових функцій для відтворення ширини спектральних ліній. Модель адаптована для прогнозування характеристик плазми в умовах змінних параметрів розряду, таких як напруженість електричного поля, тиск і температура. Це дозволяє оптимізувати процеси синтезу плівок і створювати нові матеріали з покращеними характеристиками. Запропонований підхід має практичне застосування в сенсориці, оптоелектроніці, фотовольтаїці та інших передових технологіях. У майбутньому перспективним напрямом є вдосконалення технології та, відповідно, програмного продукту засобами створення інтерфейсу для зручного керування параметрами моделі, що дозволить використовувати програму без глибоких знань програмування; інтеграція програми з платформами хмарних обчислень для моделювання складних систем із високою продуктивністю та застосування алгоритмів машинного навчання для автоматичної оптимізації параметрів розряду та прогнозування результатів.