Способы получения низкотемпературного плазменного разряда

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ВолгГТУ)

 

Кафедра «Электротехника»

 

«Способы получения низкотемпературного плазменного разряда»

Вариант 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                            Выполнил: студентка группы

МВ-331 Поплёвина А.И.

Проверил: Хоперскова Л.В.

 

 

 

 

 

Волгоград,  2012г.

 

Содержание:

1. Общие свойства низкотемпературной плазмы
2. Типы низкотемпературной плазмы
3. Способы создания низкотемпературной плазмы
4. Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Современные промышленные технологии активно используют низкотемпературный плазменный разряд для очистки поверхностей от загрязнений, в плазмохимии, газоразрядных источниках света, газовых лазерах , МГД-генераторах и двигателях, нанотехнологиях, при резке и сварке металлов, нанесении покрытий. Неустойчивости плазменных разрядов, визуально проявляющиеся в виде перетяжек, змеек и многозаходных винтов, негативно влияют на функционирование устройств. Существует целый ряд неустойчивостей, зависящих от параметров электродов и состава газовой смеси, приводящих к нарушению однородности разряда и ухудшению его энергетических характеристик.

Для низкотемпературной плазмы существенным фактором, влияющим на динамику возмущений в разряде, может являться диссипативность, связанная, в частности, с охлаждением  в результате излучения. Причем, свойства такого охлаждения сильно зависят от термодинамического состояния плазмы и ее химического состава.

Источником низкотемпературного  плазменного разряда являются электроды, формирующие плазменный столб и  определяющие многие его свойства. Стабильность разряда и его параметры зависят, в том числе и от физических процессов, протекающих как на границе плазма-катод, так и вдоль катода. В частности, граница плазма-катод может являться дополнительным источником возмущений плазменного разряда.

1.Общие особенности

Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (< 10 эВ); температуpa её обычно не превышает 10⁵К. 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 называют 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 т. ч. 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.  

Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.  

Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпературной плазмы.

Стационарная и нестационарная низкотемпературная плазма. Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется квазистационарной. Например., плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрического тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале ~10^-5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала ~10³ с, поэтому в течение прохождения основной части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма.

Низкотемпературная плазма назывантся равновесной, если её компоненты находятся в термодинамическом равновесии, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внешних электрических полей: электрическая энергия от них передаётся заряженным частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии средняя энергия заряженных частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, которые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только средняя энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.  
Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма дугового разряда при атмосферном давлении, плазма искрового разряда или молнии в атмосфере.  

Рис. 3. Параметры равновесной и  неравновесной низкотемпературной плазмы; Т - температура газа; Т_е - температура электронов.

Характерным примером неравновесной  плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; например., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор температуpa газа в центре разрядной трубки тогда как средняя энергия электронов несколько эВ (рис. 3).

Идеальная и неидеальная плазма. Плазма считается идеальной, если средняя кинетическая  энергия заряженных частиц (3/2)kТ много больше средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами:

где е - заряд электрона, Т - температуpa, r_D - дебаевский радиус экранирования. Идеальную плазму можно определить также как плазму, в которой число заряженных частиц в сфере с дебаевским радиусом велико. Оба определения приводят к одинаковому соотношению для параметров идеальной плазмы:

Числовой коэффициент С в этом соотношении равен 9/32 , если пользоваться первым условием, и 1/96  для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойства и не сказываться на других.  
Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотность заряженных частиц существенно падает, а их температуpa повышается и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, где возникают дополнительные условия стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма металла, которая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием ионов решётки металла. Таким образом., неидеальная плазма существует при плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой. 

 

 

 

2.Типы низкотемпературной плазмы

В литературе принято  разделять типы НТП по способам ее получения, ее параметрам и использованию.

1. Газоразрядная плазма - плазма газового разряда. Используется  часто как синоним положительного  столба разряда.

2. Приэлектродная плазма - плазма в приэлектродных частях дугового разряда, включая плазму катодных пятен.

3. Лазерная плазма - плазма, образующаяся при облучении среды  лазерным излучением. Сюда же  входит приповерхностная лазерная

плазма, возникающая при  облучении твердого тела, и лазерный "плюм" - плазма, образующая при лазерном распылении твердого

образца вблизи его поверхности.

4. Фоторезонансная плазма - плазма, образующаяся при облучении  пара (газа) светом с длиной волны  меньшей, чем потенциал ионизации  и мощностью, недостаточной для начала многофотонных процессов.

5. Пучковая плазма, образующаяся  при взаимодействии с атомами  газовой мишени электронного  пучка.

6. Плазма с конденсированной  дисперсной фазой, содержащая  твердые или жидкие макрочастицы. Одной из ее разновидностей  является пылевая плазма.

7. Астрофизическая плазма  в атмосферах астрофизических  объектов (например, облака ионизованного  натрия вблизи спутника планеты  Юпитера - Ио).

8. Плазма металлов, проводниковая  плазма - электроны, удерживаемые  полем положительных ионов в твердом теле.

3. Способы создания низкотемпературной плазмы.

Наиболее распространенным способом возбуждения низкотемпературной плазмы является электрический разряд в газе. 
Газ, защищенный от внешних воздействий, совершенно не проводит электрического тока и, следовательно, неионизован. При внешних воздействиях, вызывающих ионизацию газа, возможны два вида газового разряда. 
В первом случае действуют два условия: фактор, обеспечивающий появление свободных носителей заряда, т. е. фактор ионизации газа, и электрическое поле любой напряженности, сообщающее заряженным частицам направленное движение. Устранение любого из этих двух факторов приводит к исчезновению тока проводимости в газе. В этом случае разряд называют несамостоятельным. 
Во втором случае, имеющем наибольшее практическое значение, действует только одно условие: имеется постоянное или быстро меняющееся во времени и по направлению электрическое поле, эффективное значение напряженности которого превышает некоторое значение, определяемое условиями в газе (температура, давление) и условиями на окружающих газ телах. В этом случае возникающий ток проводимости называют самостоятельным разрядом. 
Самостоятельные разряды разделяются на разряды, в которых ток проводимости в газоразрядной плазме непосредственно связан с током во внешней питающей цепи с помощью электродов (катода и анода), и разряды, в которых ток проводимости в газе не имеет гальванической связи с током во внешней питающей цепи. 
 
В разрядах первого вида важную роль в механизме прохождения тока играют процессы на электродах, в частности процессы на катоде, связанные с эмиссией электронов в газоразрядную плазму. При низких значениях тока и плотности тока и большом общем и катодном падении потенциала происходит тлеющий газовый разряд. Увеличение тока свыше некоторого значения вызывает резкое снижение общего и катодного падения потенциала, повышение температуры газоразрядной плазмы и увеличение плотности тока — возникает электрическая дуга. К этому же типу разрядов могут быть отнесены искровой и коронный разряды. 
Ко второму виду относится высокочастотный разряд. Внешнее электрическое поле при высокочастотном разряде в отличие от электродного разряда первого вида настолько быстро меняет свое направление, что носители зарядов в газоразрядной плазме не успевают выйти на электроды или стенки разрядной камеры, и ток проводимости в газоразрядной плазме не имеет непосредственной связи с током во внешней цепи. Это не только не ухудшает условий существования высокочастотного разряда, но даже улучшает их. 
Среди рассмотренных видов газоразрядной плазмы высокочастотная, и в первую очередь электродуговая, имеет наибольшее практическое значение. Это объясняется тем, что сегодня высокочастотный и электродуговой разряды являются практически единственным средством для длительного нагрева газа до температуры 3000—50 000° К без каких-либо существенных ограничений по электрической мощности, роду газа и давлению. 
Низкотемпературную плазму получают в высокочастотных (ВЧ) и электродуговых генераторах плазмы — плазмотронах. Она является мощным интенсифицирующим фактором, в значительной степени ускоряющим протекание многих теплофизических и физико-химических процессов при резке, наплавке, сварке и плазменно-механической обработке металлов, в металлургии, плазмохимии, нанесении покрытий и других процессах высокотемпературной технологии.

ПЛАЗМОТРОН - устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (с Т до 10⁴ К) с помощью электрических разрядов в газах и дающее плазменный поток, используемый для исследовательских и научных целей 
Принцип работы плазматрона заключается в следующем. Холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд; газ нагревается, ионизуется, превращается в плазму, которая вытекает из области разряда в виде плазменной струи чаще всего прямо в атмосферу (тогда и давление в плазме атмосферное). На практике обычно применяются плазматроны, работающие на дуговом разряде, Пеннинга разряде, ВЧ- и СВЧ-разрядах. Импульсные источники плазмы, работающие, например, на искровом разряде, к плазматронам не относятся. Кроме ионизации газа в электрическом разряде значительно реже используется ионизация газа электронным пучком. Принципиально можно нагревать и ионизировать газ мощным лазерным излучением для создания оптического плазматрона. 
Для научных исследований и технологических целей используют плазматроны, работающие на различных газах (воздух, аргон, азот, водород и др.), а также на газах с присадками паров или капель твёрдых веществ (например, для плазменного нанесения покрытий). Мощность плазматрона различна: от десятков Вт до десятков МВт, давление газа - от долей мм рт. ст. до десятков и сотен атмосфер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

1. Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики
2. Смирнов Б. М., Введение в физику плазмы
3. Биберман Л. М., Воробьёв В. С., Якубов И. Т., Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М., 1982
4. Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.
5. Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979