Over Plasma

Definitie van een plasma

Een plasma is een gas van geladen deeltjes (zowel ionen als elektronen) en neutronen (atomen en moleculen) maar ook van fotonen. Meer specifiek kan het worden gekarakteriseerd als een volledig of gedeeltelijk geïoniseerd gas dat elektrisch neutraal is als geheel, dwz het aantal positieve en negatieve ladingen is gelijk. Het wordt vaak beschouwd als de vierde toestand van de materie omdat het ontstaat bij het leveren van energie aan een gas, hoewel er geen abrupte faseovergang is zoals de overgangen van vast naar vloeibaar en van vloeibaar naar gas. Een alternatieve naam voor plasma is gloeiontlading vanwege de karakteristieke gloed van het plasma als gevolg van deexcitaties van deeltjes met de bijbehorende emissie van fotonen. Op aarde komt het plasma niet voor als een natuurlijke staat, met uitzondering van bliksemflitsen en vlammen, maar in de ruimte is plasma de meest voorkomende vorm van materie. Kunstmatig gegenereerde gasachtige plasma's hebben echter tal van toepassingen in dienst van de mensheid. Plasma wordt in zo verschillende toepassingen gevonden als lichtbronnen, nieuwe soorten televisieschermen, in reactoren voor fusie-experimenten, enz. Waarschijnlijk het meest voorkomende, en van het meest economische belang, de plasmatoepassingen in de materiaalverwerking van vaste stoffen, alsmede van gassen, zijn. In tegenstelling tot de plasma's voor fusie zijn deze plasma's "koud", dat wil zeggen niet in thermodynamisch evenwicht, waar het gas op lage temperatuur is, terwijl elektronen energieën (temperaturen) hebben die hoog genoeg zijn om deeltjes van gasdeeltjes te ioniseren, exciteren, dissociëren, etc.

Generatie van plasma's

Plasma's voor industriële toepassingen in materiaalverwerking worden gegenereerd door verschillende plasmabronnen.

Een plasma kan worden gegenereerd door een spanning aan te leggen tussen twee elektroden in een gas en met een bepaalde spanning afhankelijk van de gasdruk en de afstand tussen de elektroden, zal een doorslag in het gas optreden, zodat het gas geleidend wordt als gevolg van de ionisatie. De ionisatie wordt veroorzaakt door botsingen tussen elektronen, versneld naar de ionisatie-energie door het elektrische veld en neutrale deeltjes, bijv. Atomen. Elke botsing die één vrij elektron genereert, kan een nieuwe ionisatie veroorzaken, maar het eerste elektron is ook nog steeds vrij om opnieuw te botsen, dus de ionisatie verschijnt als een lawine-proces. Uiteindelijk bereikt dit proces een steady-state tussen de generatie en het verlies van de geladen deeltjes. Het verlies van de ionen en elektronen uit het plasmavolume kan plaatsvinden door recombinatie en diffusie naar de plasmagrens. De start van de ionisatie wordt mogelijk gemaakt door de primaire ionen en elektronen die altijd aanwezig zijn in elk neutraal gas, bijvoorbeeld als gevolg van ionisatie door kosmische straling. Elektronen met niet genoeg energie om een ​​atoom te ioniseren, kunnen de elektronische structuur ervan veranderen en opwinden en wanneer het atoom uitdroogt, kan een foton worden uitgestoten. Recombinatie van geladen deeltjes en dexcitaties draagt ​​bij aan een glim-karakteristiek voor de plasmasystemen.

In het eenvoudigste type van een glimontlading is de aangelegde spanning een gelijkspanning en vertegenwoordigen de twee elektroden respectievelijk een kathode en een anode. Het elektrische veld is niet gelijkmatig verdeeld tussen de elektroden waardoor er verschillen in de helderheid van de gloei ontstaan. Het meest intense deel van de ontlading is de "negatieve gloed" dichtbij, maar gescheiden van de kathode. Het gebied tussen deze gloed en de kathode is "de kathode donkere ruimte" of "de ruimteladingsomhulling" waar het potentieel drastisch daalt. Vanwege geen of zeer weinig botsingen en dus geen fotonenemissie in deze regio lijkt het donker. Positieve ionen zullen worden versneld door de potentiaaldaling door de omhulling en botsen met het kathodeoppervlak. Dit kan emissie van secundaire elektronen veroorzaken die worden afgestoten van de kathode naar de negatieve gloed en de ionisatie daar verbeteren. De ionen kunnen ook atomen uit het kathodemateriaal verwijderen en dit effect wordt bij sputteren gebruikt als bron van af te zetten materiaal. Als de afstand tussen de kathode en de anode lang genoeg is met betrekking tot de breedte van de ontlading, kan er een ander gloeigebied "de positieve kolom" verschijnen. Bij de anode is er ook een donkere ruimte maar erg dun.

Als de kathode wordt omgeven door een niet-geleidend materiaal, kan een plasma niet worden ondersteund door een gelijkspanning vanwege het opladen van het elektrodeoppervlak. In dit geval is het mogelijk om de elektrode met radiofrequentie (RF) spanning aan te drijven om de ontlading te laten genereren. De RF-ontladingen hebben gewoonlijk efficiëntere ionisatie dan de DC-ontladingen. De elektronen hebben een zeer lage massa en ze kunnen gemakkelijk de RF-oscillaties volgen terwijl de ionen net het tijdgemiddelde veld volgen. In het geval van een geleidende kathode kan een blokkeercondensator tussen de kathode en de voeding worden gebruikt om een ​​negatieve DC-voorspanning op de kathode op te bouwen (eigenlijk op beide elektroden) en kan een ruimteladingsomhulling worden gevormd tussen de elektroden en het plasma . Bij een RF-ontlading zullen de ionen door deze omhulling worden versneld, zoals in het geval van gelijkstroom.

Holle kathoden

Het bestaan ​​van omhulsels in holle elektrodengeometrieën kan aanleiding geven tot een "extra" ontlading - de holle kathodeontlading (HCD) - die wordt gebruikt in de holle kathodebronnen. In een systeem met twee elektroden met een holle negatieve elektrode (kathode) en een grotere tegenelektrode (anode) kan de HCD zich tegelijkertijd in de holte in de kathode vormen met de "gewone" ontlading tussen de kathode en de anode, indien de afstand van wanden in de holte is ongeveer gelijk aan de breedte van de negatieve gloed. De oorsprong van de HCD is een opsluiting van elektronen binnen de holle kathode wanneer energetische elektronen geëmitteerd uit één kathodewand worden versneld over de mantel naar de tegenoverliggende wand. Wanneer ze de identieke omhulling aan de tegenovergestelde zijde bereiken met hetzelfde maar tegenovergestelde elektrische veld, worden ze gereflecteerd. De elektronen worden gevangen en gedwongen te oscilleren tussen de tegenoverliggende hulzen. Dit mechanisme wordt het "holle kathode-effect" genoemd. Tijdens deze oscillaties kunnen elektronen inelastische botsingen met gasatomen ondergaan en de kans op ionisatie verhogen, waardoor een zeer dicht plasma in de kathode ontstaat. Dit plasma wordt uit de kathode geforceerd door stromend gas. De holle kathode kan ook worden gevoed door een RF-voeding. De elektronen kunnen vele malen oscilleren tijdens één RF-cyclus, wat een hoge plasmadichtheid oplevert. De holle kathoden kunnen verschillende geometrieën hebben: buizen, reeksen van buizen of parallelle platen (lineaire holle kathoden).