Определение плазмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Определение плазмы

Определение плазмы (от греч. рлЬумб «вылепленное», «оформленное») -- в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Плазма -- частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови. Ленгмюр писал:

«Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.»

2. Формы плазмы и классификация

плазма ионизация модификация квазинейтральность

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной . К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы, находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком, твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём и того меньше: всего 10?15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов.

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации б определяется как б = ni/(ni + na), где ni -- концентрация ионов, а na -- концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne=<Z> ni, где <Z> -- среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи . Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию -- не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов . В горячей плазме мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится , который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора.

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности -- плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

3. Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий:

4. Модели и свойства плазмы

Плазма обладает следующими свойствами:

Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления -- типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

,

где -- концентрация заряженных частиц.

Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов -- типичное свойство сложных систем, если использовать для их описания простые модели. Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и ее математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц, из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана. Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона

;

Z -- зарядовое число; k -- постоянная Больцмана; К -- длина волны; г -- адиабатический индекс; ln Л -- Кулоновский логарифм.

Частоты

Ларморова частота электрона, угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

Ларморова частота иона, угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

ионная плазменная частота:

частота столкновений электронов

частота столкновений ионов

Длины

Де-Бройлева длина волны электрона, длина волны электрона в квантовой механике:

минимальное расстояние сближения в классическом случае, минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

гиромагнитный радиус электрона, радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

гиромагнитный радиус иона, радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

размер скин-слоя плазмы, расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

Радиус Дебая (длина Дебая), расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

Скорости

тепловая скорость электрона, формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла. Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

тепловая скорость иона, формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла:

скорость ионного звука, скорость продольных ионно-звуковых волн:

Альфвеновская скорость, скорость Альфвеновских волн:

Безразмерные величины

квадратный корень из отношения масс электрона и протона:

Число частиц в сфере Дебая:

Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

отношение плазменной и ларморовской частот для иона

отношение тепловой и магнитной энергий

отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

Прочее

Бомовский коэффициент диффузии

Поперечное сопротивление Спитцера

Плазмохимия - раздел физической химии, изучает химические и физико-химические процессы в низкотемпературной плазме.

Низкотемпературной принято считать плазму с температурой 103--105 °C и степенью ионизации 10?6--10?1, получаемую в электродуговых, высокочастотных и СВЧ газовых разрядах, в ударных трубах, установках адиабатического сжатия и другими способами. В плазмохимии важно разделение низкотемпературной плазмы на квазиравновесную, которая существует при давлениях порядка атмосферного и выше, и неравновесную, которая получается при давлениях менее 30 кПа и в которой температура свободных электронов значительно превышает температуру молекул и ионов. Это разделение связано с тем, что кинетические закономерности квазиравновесных процессов определяются только высокой температурой взаимодействующих частиц, тогда как специфика неравновесных процессов обусловлена большим вкладом химических реакций, инициируемых «горячими» электронами.

Примером плазмохимической технологии служат: синтез ацетилена из природного газа (электродуговая печь, 1600 °C): 2CH4 > С2Н2 + 3H2.

5. ВЧ плазма пониженного давления как метод модификации материалов

Плазма, генерируемая высокочастотными разрядами, обладающая рядом преимуществ по сравнению с другими плазменными источками (дуговой, тлеющий разряд и др.). К ним, в частности, относят повышенная чистота плазмы из-за отсутствия электродов и прачески неограниченный ресурс работы.

В последнее время, в связи с развитием неравновесной плазмомии и потребностями ряда отраслей промышленности в изделия эксплуатационным характеристикам которых предъявляются повышные требования (износо- и коррозионная стойкость, высокая твердо" однородность микроструктуры поверхности), все большее практич кое применение находит плазма ВЧ разрядов пониженного давлен

Последняя, обладая всеми преимуществами ВЧ разрядов, имеет специфических свойств, присущих разрядам при низких давлении существенный отрыв электронной температуры от ионной, повышенная стерильность окружающей среды, возможность получения сверх-И уковых высокотемпературных потоков.

Обзор применения ВЧ разряда пониженного давления приведен в М86] В [187] показано, что такая разновидность плазменной обработки является одной из ключевых технологий.

Плазменное напыление с использованием высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона пониженного давления отличается от плазменного напыления при атмосферном давлении тем, что исходный материал осаждается на подложку не в виде частиц, находящихся в оплавленном состоянии, а из паровой фазы. Таким образом, получаемые покрытия подобны пленкам, изготовляемым с помощью вакуумной технологии. Этим методом можно получить тонкие пленки как легкоплавких, так и тугоплавких материалов, термостойкие, диэлектрические, проводящие, жаропрочные покрытия и т.п. [182, 188 - 190].

Метод получения тонкопленочных покрытий с помощью ВЧ плазмы пониженного давления имеет ряд преимуществ перед существующими в вакуумной технологии (термовакуумным испарением, ионно-плаз-менным распылением и др.). Во-первых, совмещаются операции испарения материала, ионизации и возбуждения атомов, формирование направленного потока частиц и транспортировки их на поверхность, подогрева подложки, очистки и полировки ее поверхности; во-вторых, обеспечиваются высокие скорости осаждения материалов (100 А/с и выше); в-третьих, имеется протяженный транспортный участок для управления физико-химическими процессами и составом осаждаемого вещества; в-четвертых, возможность получения пленок толщиной до 20 мкм; в-пятых, достигается более высокая чистота процесса из-за отсутствия электродов и испарителей в высокотемпературной области плазмы и загрязнений, свойственных плазмохимическому осаждению; в-шестых, уменьшается расход испаряемого материала из-за транспортировки его в плазменной струе [188 - 191].

Процесс получения покрытий с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы представляет собой разновидность взаимодействия ВЧ плазмы с твердым телом. Первая стадия - это обработка материала в виде стержня или порошка в режимах, при которых происходит интенсивное испарение - распыление. Вторая стадия - взаимодействие плазмы с напыляемыми частицами в процессе транс-п°ртировки к подложке. Третья стадия - обработка осаждаемого. Непрерывный процесс взаимодействия ионов газа с напыляемым покрытием позволяет получать пленки с Учтенными параметрами - повышенной адгезионной прочностью

Литература

1. Мак-Таггарт Ф. Плазмохимические реакции в электрических разрядах. М.: Атомиздат, 1972. -- 256 c.

Размещено на Allbest.ru