点阵列光源辐照石墨盘温度场的COMSOL模拟.docx

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点阵列光源辐照石墨盘温度场的COMSOL模拟

点阵光源辐照石墨盘温度场的COMSOL模拟

（一）光源阵列组成及辐照均匀性预览

（2015-10-1）

北京东之星应用物理研究所

伍勇物理专业（凝聚态物理方向），文档执笔及软件绘图

贺宁计算机专业，新产品研发及技术总监

贺令渝技术物理专业,高级工程师，传统RTP产品原创

关键词：

点阵光源，石墨盘，热传导偏微分方程，COMSOL模拟，Si晶片热处理，

高斯光束，MATLAB，Mathematica，Flash动画，

RTP（RapidThermalProcessing）

1）光源几何

为增加光源有效辐照光强的均匀性和光通量，我们采用具有轴对称的卤钨灯阵列如图，54

盏灯分布在54格点处，类似六角蜂

房密排方式。

这里给出六盏灯点阵的MATLAB源码，网上看到有学生在寻找答案：

*************************************cc

clc

clear

a=[0,0;0.5,0.866;1.0,0;0.5,-0.866;-0.5,-0.866;-1,0;-0.5,0.866];

data=a;

x0=data（:

1）;

y0=data（:

2）;

r=0.46

theta=0:

pi/50:

2*pi;

fori=1:

length（x0）

x=x0（i）+r*cos（theta）;

y=y0（i）+r*sin（theta）;

plot（x,y,'-b','LineWidth',3）;

axissquare;

xlim（[-55]）

ylim（[-55]）

fill（x,y,[1,0.4,0.4]）

plot（x0（i）,y0（i）,'ow','MarkerSize',7）;

holdon

end

**************************************cc

2）高斯光束

不失一般性，每个灯盏都近似用高斯函数（Gaussianfunction）表达光强的空间钟形分布（Bell-cuve），2D高斯分布函数为：

其一维函数图形如图：

调整

，可得到不同锐度的曲线，当

，其2D函数图像如是：

对比泊松方程，理想点源的图形如下：

3）多个高斯光束的叠加

当叠加个数n=6时，合成光强分布如是：

其x-y平面投影如图：

n=54灯阵列的光强叠加分布:

对应x-y平面的投影

如图可预览光源总光强分布，在此说明灯具保障温度均匀性的几个要点：

（1），石墨导热系数较高，铜397W/m.k，铁80W/m.k，不同厂家不同型号的石墨材料导热系数不一样，大约在100-1500，不失一般性，计算暂用COMSOL提供的数据：

150W/m.k（300K）

（2），石墨盘旋转，抹平旋转方向温度的起伏

（3），点阵密排设计，可人工柔性调整每盏灯的输出功率，以微调盘面温度的不均匀。

（4），中心点不易散失热量，不放置灯位，实验表明也能保证允许的温度差异且便于安装灯具。

（二）石墨盘温度场的COMSOL模拟

1）热传导偏微分方程

2）结果

石墨表面温度场：

石墨圆盘边缘点处温度-时间的变化：

80秒,120秒,360秒时刻，沿石墨盘径向r[m]变化的温度T[K]曲线：

温升过程的Flash动画演示

双击exe--->运行，查看全屏时按Esc键返回

石墨温度场的等值面

3）Si片在石墨上

Si片整体瞬间（计算结果：

0.01秒）均匀达到石墨圆台的恒定温度（计算设定1000K）。

整体装置示意图（简化处理后的理论模型）：

Si片表面温度场:

Si片边缘点处温度-时间的变化

结束：

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