Investigation of Plasma Characteristics Related to Pulse-Shape Modulation Using Ionization Region Modeling Supported by the Boltzmann Transport Equation

dc.abstract.en	This thesis presents a time resolved, zero dimensional Boltzmann transport equation (BTE) solver developed to compute the electron energy distribution function (EEDF) in a High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) discharge operating with an argon plasma and a titanium target. The solver implemented spans into the high energy (≈ 481 eV ), allowing the model to capture features like secondary electron emission (SEE) peak with the inelastic collision cascade. The reaction framework for this work is composed of a collisional radiative scheme with 65 argon levels and 10 titanium levels with resulting over two thousand reactions. Non two-terms approximation, analytical equations were implemented for the calculation of fluxes. Species number density fluxes in and from ionization region were obtained from a separately executed Ionization Region Model, developed in-house by dr Mohammad Afaque Hossain, which supplied time dependent argon and titanium population as fixed inputs. Four pulse lengths (40, 60, 80 100 μs) were investigated under the same initial conditions. Longer pulses are found to be able to thermalize the electrons to a point of bi-Maxwellian distribution, however shorter pulses (with 40 μs as a triangular shape pulse) exhibit a highly non linear hot electron tail. This work demonstrates a full BTE solver, that resolves energy dependent features of the EEDF, that standard simplified models miss, and provides a foundation for future self-consitent coupling between the Boltzman solver and the IRM.
dc.abstract.pl	Niniejsza praca przedstawia zależny od czasu, zerowymiarowy solver równania transportu Boltzmanna (ang. Boltzmann Transport Equation, BTE), opracowany w celu obliczania funkcji rozkładu energii elektronów (ang. electron energy distribution function, EEDF) w wyładowaniu typu High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) pracującym z plazmą argonową oraz targetem tytanowym. Zaimplementowany solver obejmuje zakres do wysokich energii (≈ 481 eV), co pozwala modelowi uchwycić takie zjawiska jak pik emisji elektronów wtórnych (SEE) wraz z kaskadą zderzeń nieelastycznych. Schemat reakcji zastosowany w niniejszej pracy składa się z modelu kolizyjno-radiacyjnego obejmującego 65 poziomów energetycznych argonu oraz 10 poziomów energetycznych tytanu, co daje w rezultacie ponad dwa tysiące reakcji. Do obliczania strumieni zaimplementowano analityczne równania nieuwzględniające przybliżenia dwuczłonowego (non-two-term approximation). Strumienie gęstości liczbowych poszczególnych gatunków do i z obszaru jonizacji uzyskano z uruchamianego niezależnie Modelu Obszaru Jonizacji (Ionization Region Model, IRM), opracowanego wewnętrznie przez dr. Mohammada Afaque Hossaina, który dostarczał zależne od czasu populacje argonu i tytanu jako ustalone dane wejściowe. Przeanalizowano cztery długości impulsu (40, 60, 80 i 100 μs) przy zachowaniu tych samych warunków początkowych. Stwierdzono, że dłuższe impulsy umożliwiają termalizację elektronów do stanu odpowiadającego rozkładowi dwumakswellowskiemu (bi-Maxwellian), natomiast krótsze impulsy (w szczególności impuls trójkątny o długości 40 μs) wykazują silnie nieliniowy gorący ogon elektronowy. Niniejsza praca przedstawia kompletny solver równania BTE, który umożliwia odwzorowanie zależnych od energii cech funkcji EEDF, pomijanych przez standardowe modele uproszczone, oraz stanowi podstawę do przyszłego samouzgodnionego sprzężenia solvera Boltzmanna z modelem IRM.
dc.affiliation	Uniwersytet Warszawski
dc.affiliation.department	Wydział Fizyki
dc.contributor.author	Łukianowski, Beniamin
dc.contributor.promoter	Szczytko, Jacek
dc.contributor.promoter	Gajewski, Wojciech
dc.contributor.reviewer	Szczytko, Jacek
dc.contributor.reviewer	Gajewski, Wojciech
dc.contributor.reviewer	Coelho Abade, Gustavo
dc.date.defence	2026-07-30
dc.date.issued	2026
dc.date.submitted	2026-07-25
dc.identifier.apd	254433
dc.language	en
dc.language.other	pl
dc.publisher	Uniwersytet Warszawski
dc.rights	ClosedAccess
dc.subject.en	plasma
dc.subject.en	plasma simulation
dc.subject.en	HIPIMS
dc.subject.en	sputtering
dc.subject.en	plasma chemistry
dc.subject.en	Boltzmann transport equation
dc.subject.pl	plazma
dc.subject.pl	symulacja plazmy
dc.subject.pl	HIPIMS
dc.subject.pl	rozpylanie
dc.subject.pl	chemia plazmy
dc.subject.pl	równanie transportu Boltzmana
dc.title	Investigation of Plasma Characteristics Related to Pulse-Shape Modulation Using Ionization Region Modeling Supported by the Boltzmann Transport Equation
dc.title.alternative	Badanie charakterystyk plazmy związanych z modulacją kształtu impulsu z wykorzystaniem modelowania obszaru jonizacji wspomaganego równaniem transportu Boltzmanna
dc.type	MasterThesis