Общая характеристика низкотемпературной плазмы

Плазменная металлургия – извлечение из руд, выплавка и обработка металлов и сплавов под воздействием плазмы.

Плазма - это четвертое состояние вещества, в котором электроны оторвались и приобрели полную свободу движения. Потеряв часть электронов, атомы и молекулы приобретают положительный заряд, переходя в ионы. То есть плазма - это газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, в таких пропорциях, что их общий заряд равен нулю. Это состояние системы называется квазинетральным.

Название «плазма» было предложено в 1923г. американскими физиками Ленгмюллером и Тонксом. Помимо этого плазмой может называться любая газовая система, содержащая, по меньшей мере ≈ 1% молекул в ионизированном состоянии.

В земных условиях плазменное состояние вещества довольно редко и необычно. Но во вселенной основная масса вещества ионизирована. В звездах ионизация вызывается высокой температурой, в разряженных туманностях и межзвездном газе – ультрафиолетовом излучении звезд. Эта плазма (термоядерная) существует в области высоких температур порядка 10³-10⁶К.

Термоядерной плазмы ученые сталкиваются при исследовании термоядерных реакций. В солнечной системе из плазмы состоит Солнце. Является объектом исследований астрофизиков, геофизиков, физиков – ядерщиков. Наряду с высокотемпературной плазмой существует низкотемпературная плазма, имеющая температуру порядка 10³-10⁵К, представляющая частично ионизированный газ. У этой плазмы средняя энергия электронов не превышает 10эВ. Этот вид плазмы используется в металлургии, химической технологии

Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации 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.

Рисунок 1. Низкотемпературная плазма в природе

Рисунок 2. Параметры лабораторной низкотемпературной плазмы

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 ~10^-3 с, поэтому в течение прохождения основной части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма. Низкотемпературная плазма называется 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.

T – температура газа: Т_е – температура электронов

Рисунок 3. Параметры равновесной и неравновесной низкотемпературной плазмы

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.

Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазмадугового разряда 400 К, тогда как средняя энергия электронов несколько эВ (рис. 3) » низкого давления; например, в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор температура газа в центре разрядной трубки. Идеальная и неидеальная плазма. Плазма считается идеальной, если средне кинетическая энергия заряженных частиц (3/2)kT больше средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами: , где е – заряд электрона, Т – температура, 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:

(1)

Числовой коэффициент С для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной иp, если пользоваться первым условием и 1/96 pв этом соотношении равен 9/32 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 температура 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. Неидеальную плазму можно также разделять на типы по способам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, лазерная, ионосферная, солнечная, космическая плазма.

В низкотемпературной плазме потери заряженных частиц связаны с рекомбинацией электронов и ионов и с уходом заряженных частиц на стенки сосуда или за пределы занимаемого объёма. Для поддержания существования плазмы необходимы процессы ионизации, которые создают новые заряженные частицы. Наиболее старый и простой способ создания низкотемпературной плазмы – газоразрядный. Плазма создаётся в результате протекания в газе электрического тока между электродами, к которым приложена постоянно поддерживаемая разность потенциалов. Газовый разряд содержит ряд областей, различающихся по своим свойствам, и поэтому имеется несколько типов газовых разрядов. Для газоразрядной плазмы характерна квазистационарность, т. е. время её существования значительно превышает характерное время жизни отдельно выделенной заряженной частицы. Газоразрядному способу создания низкотемпературной плазме подобно создание плазмы при электрическом пробое газа, который осуществляется под действием разности потенциалов, приложенной к электродам. В этом случае получают импульсную плазму, которая распадается, как только электроды разрядятся. Пробой газа имеет несколько стадий, в итоге которых образуется проводящий канал – искровой разряд. Подобное явление имеет место в приземной атмосфере: молния – пробой газа между облаками или между облаком и землёй во время грозы.

Пробой газа может произойти за счёт высокой напряжённости электромагнитных волн при прохождении сфокусированного лазерного излучения через газ – лазерный пробой (см. Оптические разряды). низкотемпературная плазма, образовавшаяся при газовом пробое, распадается в результате рекомбинации и диффузии заряженных частиц. Такую плазму называют распадающейся плазмой или плазмой в послесвечении и используют для измерения скоростей рекомбинации и коэффициент диффузии заряженных частиц.

Под действием резонансного излучения образуется так называемая фоторезонансная плазма. Энергия фотонов резонансного излучения совпадает с энергией возбуждения атомов или молекул газа. Образуемые при поглощении резонансных фотонов возбуждённые атомы или молекулы при дальнейших столкновениях ионизуются. В качестве источника резонансного излучения используется разрядная лампа, содержащая данный газ, или перестраиваемый лазер. Этот способ генерации плазмы позволяет легко регулировать её параметры, поэтому фоторезонансная плазма применяется при создании плазменных нелинейных оптических элементов для преобразования и стабилизации частоты лазерного излучения, для создания источников ионов разного сорта, акустических источников и т. д. Фоторезонансная плазма отличается от газоразрядной плазмы по своим параметрам. В газоразрядную плазму энергия вводится через электроны, а от них она передаётся плазме, в фоторезонансной плазме энергия первоначально вкладывается в возбуждение атомов. Поэтому средняя энергия электронов в фоторезонансной плазме существенно ниже, чем в газоразрядной.

При прохождении электронного пучка через газ возникает пучковая плазма. Обычно для её создания используются пучки электронов с энергией в несколько сотен кэВ. Такие электроны свободно проходят через тонкие фольги и поэтому могут транспортироваться из электронной пушки в лабораторную установку, содержащую газ при более высоких давлениях. Основной процесс взаимодействия быстрых электронов с атомами или молекулами газа – ионизация атомов или ионов. Образуемые при этом вторичные электроны имеют энергию, в несколько раз превышающую потенциал ионизации атомов или молекул. Таким образом, при прохождении пучка электронов через газ энергия быстрых электронов преобразуется в энергию вторичных электронов (которая далее и используется) с высоким коэффициентом преобразования. Поэтому кпд устройств, возбуждаемых электронным пучком, достаточно велик. Например, кпд молекулярных, химических и эксимерных лазеров, возбуждаемых электронным пучком, > 10%. Однако основное достоинство возбуждения плазмы электронным пучком – возможность быстрого подвода энергии. Характерные времена возбуждения плазмы электронным пучком ~10-9 с. Благодаря этому электронный пучок используется не только для создания импульсной низкотемпературной плазмой, но и для предионизации. В мощных лабораторных устройствах электронный пучок создаёт однородную первичную плазму, которая далее развивается под действием электрического импульсного разряда.

В 1980-е гг. широкое развитие приобретала лазерная плазма. Лазер используется для различных технологических операций – обработки поверхностей, сварки, резки металлов и т. д. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью образуется лазерная плазма, которая, взаимодействуя с лазерным излучением, может поглощать его, препятствуя проникновению лазерного излучения к обрабатываемой поверхности. Лазерная плазма - специфически физический объект, требующий исследования в плане конкретных технологических процессов.

Имеется много других способов генерации низкотемпературной плазмы. Плазма может быть получена под действием жёсткого излучения, ионизующего газ (ионосфера Земли и других планет), в результате прохождения пучка ионов или нейтронов через газ. В качестве генератора низкотемпературной плазмы могут быть использованы радиоактивные источники.

Вопросы

1. Расскажите о распространении плазмы в природе.

2. Каковы способы создания низкотемпературной плазмы?

3. Неравновесная плазма.

4. Равновесная плазма.

Литература

1. Кулинич В.И. Пространственные формы существования плазмы в электродуговых установках. // Доклады НТС «Дуга-2000». Санкт-Петербург. 2002 –с.86-112.

2. Краснов А.Н. и др. Низкотемпературная плазма в металлургии М.: 1970-187с.