Загальна характеристика низькотемпературної плазми

Плазмова металургія - витяг з руд, виплавка і обробка металів і сплавів під впливом плазми.

Плазма - це четвертий стан речовини, в якому електрони відірвалися і придбали повну свободу руху. Втративши частину електронів, атоми і молекули набувають позитивний заряд, переходячи в іони. Тобто плазма - це газ, що складається з позитивно і негативно заряджених частинок, в таких пропорціях, що їх загальний заряд дорівнює нулю. Цей стан системи називається квазінетральним.

Назва «плазма» було запропоновано в 1923 р. американськими фізиками Ленгмюллером і Тонкс. Крім цього плазмою може називатися будь-яка газова система, що містить, щонайменше ≈ 1% молекул в іонізованому стані.

У земних умовах полум'яне стан речовини досить рідко і незвично. Але у всесвіті основна маса речовини іонізована. У зірках іонізація викликається високою температурою, у виряджених туманностях і міжзоряному газі - ультрафіолетовому випромінюванні зірок. Ця плазма (термоядерна) існує в області високих температур порядку 10 3 -10 6 К.

Термоядерної плазми вчені стикаються при дослідженні термоядерних реакцій. У сонячній системі з плазми складається Сонце. Є об'єктом досліджень астрофізиків, геофізиків, фізиків - ядерників. Поряд з високотемпературної плазмою існує низькотемпературна плазма, що має температуру близько 10 3 -10 5 К, що представляє частково іонізований газ. У цій плазми середня енергія електронів не перевищує 10еВ. Цей вид плазми використовується в металургії, хімічної технології

Низькотемпературної називають плазму, у якій середня енергія електронів менше характерного потенціалу іонізації атома (<10 эВ); температура её обычно не превышает 105 К. Плазма с более высокой температурой, называется горячей или высокотемпературной. Обычно Низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной плазме в большой степени определяет её свойства, в том числе электрические и электромагнитные. Много видов низкотемпературной плазмы существует в природе (рис. 1), создают низкотемпературную плазму и в различных специальных лабораторных системах (рис. 2). Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

Малюнок 1. Низькотемпературна плазма в природі

Малюнок 2. Параметри лабораторної низькотемпературної плазми

Стаціонарна низькотемпературна плазма володіє великим часом життя в порівнянні з часами релаксації в ній. Нестационарная (імпульсна) низькотемпературна плазма живе обмежений час, яке визначається як часом встановлення рівноваги в плазмі, так і зовнішніми умовами. Плазма, час життя якої перевищує характерний час перехідних процесів, називається квазістаціонарних. Наприклад, плазма в каналі блискавки утворюється і підтримується в результаті проходження через нього електричного струму. Характерне час встановлення рівноваги в провідному каналі

10 -5 с, характерний час розширення (т. Е. Руйнації) цього провідного каналу

10 -3 с, тому протягом проходження основної частини струму через провідний канал плазму в ньому можна вважати квазістаціонарних.

Рівноважна і нерівноважна низькотемпературна плазма. Низькотемпературна плазма називається рівноважної, якщо її компоненти знаходяться в термодинамічній рівновазі, т. Е. Температура електронів, іонів і нейтральних частинок збігається. У низькотемпературній плазмі легко створюються нерівноважні умови в результаті селективного дії зовнішніх електричних полів: електрична енергія від них передається заряджених частинок, а ті віддають її часткам газу при зіткненнях. При такому способі введення енергії середня енергія заряджених частинок може мати відчутні відмінності від теплової енергії нейтральних частинок. В першу чергу це відноситься до електронів, які через малу масу неефективно обмінюються енергією при пружному зіткненні з нейтральними частинками газу. При цьому не тільки середня енергія електронів, а й вид розподілу електронів по енергіях може істотно відрізнятися від рівноважного.

T - температура газу: Ті - температура електронів

Малюнок 3. Параметри рівноважної і нерівноважної низькотемпературної плазми

Рівноважна плазма зазвичай реалізується в газі при високому тиску, де зіткнення частинок відбуваються часто і швидкість встановлення рівноваги відносно велика. Прикладами такої плазми є плазма дугового розряду при атмосферному тиску, плазма іскрового розряду або блискавки в атмосфері.

Характерним прикладом нерівноважної плазми є плазма тліючого розряду або плазмадугового розряду 400 К, тоді як середня енергія електронів кілька еВ (рис. 3) »низького тиску; наприклад, в плазмі гелій-неонового лазера при тиску газу

10 тор температура газу в центрі розрядної трубки. Ідеальна та неідеальна плазма. Плазма вважається ідеальною, якщо середньо кінетична енергія заряджених частинок (3/2) kT більше середньої енергії її взаємодії з оточуючими частинками. де е - заряд електрона, Т - температура, rD - дебаевский радіус екранування. Ідеальну плазму можна визначити також як плазму, в якій число заряджених частинок в сфері з дебаєвсьного радіусом велике. Обидва визначення призводять до однакового співвідношенню для параметрів ідеальної плазми:

Числовий коефіцієнт С для другої умови. Така відмінність робить кордон між ідеальною іp, якщо користуватися першою умовою і 1/96 PВ цьому співвідношенні дорівнює 9/32 неідеальної плазмою дуже розмитою, а це означає, що в проміжній області параметрів неідеальність плазми може істотно впливати на одні її властивості і не позначатися на інших.
Неідеальна плазма з чисто кулоновским взаємодією між частинками (повністю ионизованного) реально не існує. У такій плазмі з великою швидкістю відбувається рекомбінація іонів і електронів з характерними часом значно менше атомних. За такі часи щільність заряджених частинок істотно падає, а їх температура підвищується і плазма перестає бути неідеальної. Неідеальна плазма існує в багатокомпонентної системі, де виникають додаткові умови стабілізації плазми. Типовим прикладом неідеальної плазми є плазма металу, яка зберігається неідеальної за рахунок сил взаємодії за участю іонів решітки металу. Таким чином, неідеальна плазма існує при щільності частинок, порівнянної з щільністю конденсованого стану речовини. Слабоіонізованная газ завжди є ідеальною плазмою. Неідеальну плазму можна також розділяти на типи по способам її отримання або використання: газорозрядна, пучкова, фоторезонансная, лазерна, іоносферних, сонячна, космічна плазма.

У низькотемпературній плазмі втрати заряджених частинок пов'язані з рекомбінацією електронів та іонів і з відходом заряджених частинок на стінки судини або за межі займаного обсягу. Для підтримки існування плазми необхідні процеси іонізації, які створюють нові заряджені частинки. Найбільш старий і простий спосіб створення низькотемпературної плазми - газорозрядне. Плазма створюється в результаті протікання в газі електричного струму між електродами, до яких прикладена постійно підтримувана різниця потенціалів. Газовий розряд містить ряд областей, що розрізняються за своїми властивостями, і тому є кілька типів газових розрядів. Для газорозрядної плазми характерна квазістаціонарним, т. Е. Час її існування значно перевищує характерний час життя окремо виділеної зарядженої частинки. Газорозрядних способу створення низькотемпературної плазмі подібно створення плазми при електричному пробої газу, який здійснюється під дією різниці потенціалів, прикладеної до електродів. В цьому випадку отримують імпульсну плазму, яка розпадається, як тільки електроди розрядяться. Пробій газу має кілька стадій, в результаті яких утворюється провідний канал - іскровий розряд. Подібне явище має місце в приземної атмосфері: блискавка - пробій газу між хмарами або між хмарою і землею під час грози.

Пробій газу може статися за рахунок високої напруженості електромагнітних хвиль при проходженні сфокусованого лазерного випромінювання через газ - лазерний пробій (див. Оптичні розряди). низькотемпературна плазма, що утворилася при газовому пробої, розпадається в результаті рекомбінації і дифузії заряджених частинок. Таку плазму називають розпадається плазмою або плазмою в післясвітіння і використовують для вимірювання швидкостей рекомбінації і коефіцієнт дифузії заряджених частинок.

Під дією резонансного випромінювання утворюється так звана фоторезонансная плазма. Енергія фотонів резонансного випромінювання збігається з енергією збудження атомів або молекул газу. Утворені при поглинанні резонансних фотонів збуджені атоми або молекули при подальших зіткненнях іонізуются. Як джерело резонансного випромінювання використовується розрядна лампа, що містить даний газ, або перебудований лазер. Цей спосіб генерації плазми дозволяє легко регулювати її параметри, тому фоторезонансная плазма застосовується при створенні плазмових нелінійних оптичних елементів для перетворення і стабілізації частоти лазерного випромінювання, для створення джерел іонів різного ґатунку, акустичних джерел і т. Д. Фоторезонансная плазма відрізняється від газорозрядної плазми за своїми параметрам. У газорозрядну плазму енергія вводиться через електрони, а від них вона передається плазмі, в фоторезонансной плазмі енергія спочатку вкладається в збудження атомів. Тому середня енергія електронів в фоторезонансной плазмі істотно нижче, ніж в газорозрядної.

При проходженні електронного пучка через газ виникає пучкова плазма. Зазвичай для її створення використовуються пучки електронів з енергією в декілька сотень кеВ. Такі електрони вільно проходять через тонкі фольги і тому можуть транспортуватися з електронної гармати в лабораторну установку, яка містить газ при більш високому тиску. Основний процес взаємодії швидких електронів з атомами або молекулами газу - іонізація атомів або іонів. Утворені при цьому вторинні електрони мають енергію, в кілька разів перевищує потенціал іонізації атомів або молекул. Таким чином, при проходженні пучка електронів через газ енергія швидких електронів перетворюється в енергію вторинних електронів (яка далі і використовується) з високим коефіцієнтом перетворення. Тому ккд пристроїв, порушуваних електронним пучком, досить великий. Наприклад, ккд молекулярних, хімічних і ексимерних лазерів, порушуваних електронним пучком,> 10%. Однак основна перевага збудження плазми електронним пучком - можливість швидкого підведення енергії. Характерні часи збудження плазми електронним пучком

10-9 с. Завдяки цьому електронний пучок використовується не тільки для створення імпульсної низькотемпературної плазмою, але і для предіонізаціі. У потужних лабораторних пристроях електронний пучок створює однорідну первинну плазму, яка далі розвивається під дією електричного імпульсного розряду.

У 1980-і рр. широкий розвиток набувала лазерна плазма. Лазер використовується для різних технологічних операцій - обробки поверхонь, зварювання, різання металів і т. Д. При взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею утворюється лазерна плазма, яка, взаємодіючи з лазерним випромінюванням, може поглинати його, перешкоджаючи проникненню лазерного випромінювання до оброблюваної поверхні. Лазерна плазма - специфічно фізичний об'єкт, який потребує дослідження в плані конкретних технологічних процесів.

Є багато інших способів генерації низькотемпературної плазми. Плазма може бути отримана під дією жорсткого випромінювання, ионизующего газ (іоносфера Землі та інших планет), в результаті проходження пучка іонів або нейтронів через газ. Як генератор низькотемпературної плазми можуть бути використані радіоактивні джерела.

2. Які способи створення низькотемпературної плазми?

3. Неравновесная плазма.

4. Рівноважна плазма.