O plazmě

Definice plazmy

Plazma je plyn nabitých částic (i iontů a elektronů) a neutrálních (atomů a molekul), ale také fotonů. Konkrétněji lze charakterizovat jako zcela nebo částečně ionizovaný plyn, který je elektricky neutrální jako celek, tj. Počet kladných a záporných nábojů je stejný. Často se považuje za 4. stav hmoty, protože vzniká při dodávce energie do plynu, ačkoli neexistuje náhlý fázový přechod, jako přechody z pevných látek na kapaliny az kapaliny do plynu. Alternativním názvem pro plazmu je výboj doutníků vlivem charakteristické záře z plazmy v důsledku deexcitace částic doprovázenými emisemi fotonů. Na Zemi se plazma nevyskytuje jako přirozený stav, s výjimkou blesků a plamenů, ale ve vesmíru je plazma nejběžnější formou hmoty. Uměle vytvořené plynné plazmy mají však mnoho aplikací ve službách lidstva. Plazma se nachází v různých aplikacích, jako jsou zdroje světla, nové druhy televizních obrazovek, v reaktorech pro fúzní experimenty apod. Pravděpodobně nejběžnější a nejvíce ekonomický význam plazmových aplikací při zpracování materiálů pevných látek, stejně jako plyny, jsou. Na rozdíl od plazmů pro fúzi jsou tyto plazmy "chladné", tj. Ne v termodynamické rovnováze, kde je plyn na nízké teplotě, zatímco elektrony mají dostatečně vysoké energie, aby ionizovaly, rozrušily, disociovaly atd. Část plynných částic.

Generování plazmů

Plasmy pro průmyslové aplikace při zpracování materiálu jsou generovány různými zdroji plazmatu.

Plazma může být generována aplikací napětí mezi dvěma elektrodami v plynu a při určitém napětí v závislosti na tlaku plynu a vzdálenosti mezi elektrodami, dojde k poruchám v plyne tak, že se plyn vede ionizací. Ionizace je způsobena srážkami mezi elektrony, zrychlená na ionizační energii elektrickým polem a neutrálními částicemi, např. Atomy. Každá kolize, která generuje jeden volný elektron, může způsobit novou ionizaci, ale i první elektron se může znovu uvolnit, takže ionizace se objeví jako lavinový proces. Tento proces nakonec dosáhne ustáleného stavu mezi generací a ztrátou nabitých částic. Ztráta iontů a elektronů z plazmového objemu se může objevit rekombinací a difúzí k hranicím plazmy. Začátek ionizace je umožněn primárními ionty a elektrony, které jsou vždy přítomny v jakémkoliv neutrálním plynu, například v důsledku ionizace kosmickým zářením. Elektrony s nedostatečnou energií k ionizaci atomu mohou změnit svou elektronickou strukturu a budit ji, a když atom vysvětlí foton, může být emitován. Rekombinace nabitých částic a deexcitací přispívají k charakteru záření pro plazmové systémy.

V nejjednodušším typu doutnavého výboje je aplikované napětí stejnosměrné napětí a obě elektrody představují katodu a anodu. Elektrické pole není rovnoměrně rozloženo mezi elektrodami, což způsobuje rozdíly v jasu záře. Nejintenzivnější částí výboje je "negativní záře" blízko, ale oddělená od katody. Oblast mezi touto záře a katodou je "tmavý prostor katody" nebo "prostorový náboj", kde potenciál klesá drasticky. Vzhledem k žádnému nebo jen velmi málo kolizím, a tudíž žádné emise fotonů v této oblasti, se zdá být tmavé. Pozitivní ionty budou zrychleny potenciálním poklesem pláště a naruší se povrch katody. To může způsobit emise sekundárních elektronů, které jsou od katody odpuzovány do záporné záře a zvýší ionizaci. Ióny mohou také vyrazit atomy z katodového materiálu a tento efekt se používá při rozprašování jako zdroj materiálu, který má být uložen. Pokud je vzdálenost mezi katodou a anodou dostatečně dlouhá vzhledem k šířce výboje, může se objevit další oblast záře, "pozitivní sloupec". U anody je také tmavý prostor, ale velmi tenký.

Pokud je katoda obklopena nevodivým materiálem, nemůže plazma udržovat stejnosměrné napětí kvůli nabíjení povrchu elektrody. V tomto případě je možné napájet elektrodu s vysokofrekvenčním (RF) napětím, aby bylo možné generovat výboj. RF-výboje mají obvykle účinnější ionizaci než DC-výboje. Elektrony mají velmi nízkou hmotnost a mohou snadno sledovat oscilace RF, zatímco ionty se právě řídí časovým průměrem. V případě vodivé katody může být blokovací kondenzátor mezi katodou a napájecím zdrojem použit pro vytvoření negativního DC předpětí na katodě (vlastně na obou elektrodách) a mezi elektrodami a plazmou . Při RF výboji se ionty urychlí tímto pláštěm, jako v případě DC.

Duté katody

Existence obalů v dutých geometriích elektrod může způsobit "extra" výboj - výboj duté katody (HCD) - který se používá v zdrojích s dutou katodou. V systému s dvěma elektrodami s dutou zápornou elektrodou (katodou) a větší anodou (elektroda) může HCD vzniknout uvnitř dutiny v katodě současně s "běžným" výbojem mezi katodou a anodou, pokud je vzdálenost opačné stěny v dutině jsou zhruba stejné jako šířka záporné záře. Původem HCD je zachycení elektronů uvnitř duté katody, když jsou energetické elektrony emitované z jedné katodové stěny zrychleny přes plášť směrem k opačné stěně. Když dosáhnou stejného pláště na opačné straně se stejným, ale protilehlým elektrickým polem, odrážejí se zpět. Elektrony jsou zachyceny a nuceny k oscilování mezi opačnými plášti. Tento mechanismus se nazývá efekt "duté katody". Během těchto oscilací mohou elektrony procházet nepružnými kolizemi s atomy plynu a zvyšovat pravděpodobnost ionizace, což dává do katody velmi hustou plazmu. Tato plazma je vytlačována z katody proudícím plynem. Dutou katodu lze také napájet zdrojem RF. Elektrony mohou mnohokrát oscilovat během jednoho RF cyklu, což dává vysokou hustotu plazmy. Duté katody mohou mít různé geometrie: trubky, soustavy trubek nebo rovnoběžné desky (lineární duté katody).