7.1 Představení plazmatu Doporučená literatura: • Francis F. Chen, Jane P. Chang, Lecture notes on principles of plasma processing, 2003 ISBN 978-0306474972 • M. Lieberman, Principles of plasma discharges and materials processing, John Wiley & Sons 1994 (1. vydání) nebo 2005 (2. vydání) Plazma je čtvrté skupenství hmoty Co je plazma? pevná látka kapalina plyn Tři dobře známá skupenství hmoty:  Tato skupenství se odlišují silou vazeb, které drží částice látky pohromadě – relativně silné v pevných látkách, slabé v kapalinách a téměř úplně chybí v plynech.  Důležitou fyzikální veličinou je vnitřní kinetická energie (tepelná energie) částic látky, tj. její teplota. Rovnováha mezi touto tepelnou energií částic a vzájemnými vazebnými silami určuje skupenství látky. http://www.harcourtschool.com/activity/states_of_matter/  Zahříváním pevné nebo kapalné látky získávají její částice více tepelné energie až do okamžiku, kdy jsou schopné překonat vazebnou potenciální energii  dochází k fázovému přechodu při konstantní teplotě. Plazma je čtvrté skupenství hmoty - ionizovaný plyn Co se děje, když zahříváme plyn?  Dodáním dostatečné energie molekulárnímu plynu dochází k jeho disociaci na atomy v důsledku srážek těch částic, jejichž tepelná energie překračuje vazebnou energii molekuly.  Ještě větší dodaná tepelná energie způsobí překonání vazebných sil elektronů k jádru  ionizace, tj. vznik volných elektronů a iontů  plazma - kvazineutrální systém nabitých částic (electronů - ne, iontů - ni), který obsahuje i neutrály (ng) neutrální plyn ionizovaný plyn - plazma energie Co je plazma? )/( gii nnn stupeň ionizace: plně ionizované plazma slabě ionizované plazma ≪ 1 ≈ 1 Dostatečným zvýšením teploty  Systém je v termodynamické rovnováze – tj. popsán jedním parametrem = teplotou T  Jestliže uvažujeme systém N slabě interagujících částic, který je uzavřený (nevyměňuje si částice s okolím), pak je průměrná hodnota počtu částic ve stavech s energií Ei dán Boltzmanovým vztahem (faktorem) kde C je normalizační konstanta určená ze vztahu Výše jsme předpokládali, že počet stavů je pro každou skupinu stavů o energii Ei stejný. Pokud musíme vzít do úvahy statistickou váhu stavu gi Jak plazma vytvořit?  Pro plazma v termodynamické rovnováze je (elektronová) teplota a stupeň ionizace jsou svázány Sahovou rovnicí.  Laboratorní plazma není obvykle v termodynamické rovnováze, v přírodě je to častější (astrofyzikální plazma). = ex − , = exp(− / ) = ex − , 1 − = 1 ex − . Přídavným ionizačním procesem  Plazma můžeme vytvořit i pomocí ionizačních procesů zvyšujících mnohonásobně stupeň ionizace nad jeho rovnovážnou hodnotu (po vypnutí zdroje ionizace dojde k dohasínání plazmatu díky rekombinaci): Jak plazma vytvořit? • fotoionizace – ionizační potenciál např. atom. kyslíku je 13,6 eV  foton o vlnové délce 91 nm (daleká UV oblast). Ionosféra Země - přírodní fotoionizované plazma. • elektrický výboj v plynu – el. pole urychluje volné elektrony na energie dostatečné k ionizaci atomů, laboratorní plazma. Díváme se na něj celý den! Kde plazma najdeme? ne, Te, B Základní parametry plazmatu Te se spíše udává v [eV] 1 eV = 11 600 K Mimo termodyn. rovnováhu jsou důležité i teploty dalších typů částic (Ti, Tn) Ze základních parametrů ne, Te, B jsou odvozeny další důležité veličiny: Debyeova délka plazmová frekvence cyklotronová frekvence Larmorův poloměr tepelná rychlost atd. = / = / Kolektivní chování částic Podmínky definice plazmatu • Plasma contains many interacting charged particles. Condition: •Plasma exhibits collective behavior of electrons (plasma frequency) that is not much disturbed by electron-neutral collisions: podle Chen & Chang 2003 Kvazineutralita Podmínky definice plazmatu Quasineutrality ie nn  is fulfilled on the scale Quasineutrality is violated in regions adjacent to walls and other solid objects in contact with plasma – plasma sheath. These regions are very important for plasma processing. Plasma potential is always the most positive potential electrons are repelled by a Coulomb barrier, ions accelerated towards solid surfaces. i.e. plasma dimensions are larger than the Debye length Plasma/wall interaction – Plasma sheath Plasma/wall interaction – Plasma sheath