C8930 - Metody plazmochemické konzervace Definice plazmatu, charakteristika výboje v plynu a v kapalinách D.Pavliňák 2019 Definice plazmatu • Plazma je ionizovaný plyn složený z elektronů a iontů (případně i neutrálních molekul a atomů). • Abychom mohli ionizovaný plyn považovat za plazma musí splňovat jisté vlastnosti – tzv. kritéria plazmatu. (Kolektivní chování a kvazineutralitu) 2 Plazma - čtvrté skupenství hmoty 3 Výboje v plynech - plazma • Výbojem v plynu rozumíme: • „Vedení elektrického proudu plynem díky pohybu nabitých částic. Nabité částice vznikají především srážkovými procesy. Typickým srážkovým procesem je srážka elektronu s neutrální částicí plynu (atomem, molekulou) a vytvoření iontu + dalšího elektronu.“ • Problém - plyn je za normálních podmínek nevodič (vzduch: σ ≈ 10-14 S/cm, stříbro: σ = 6*107 S/cm, Ar plazma: σ > 103 S/cm) • Otázka zní jak přimět nevodivý plyn vést elektrický proud? • Odpověď: IONIZACÍ PLYNU 4 Výboje v plynech - plazma • Ionizace plynu – ionizovat plyn znamená vytvořit dostatečné množství volných nosičů náboje (elektron, ion) a udržet je „aktivní“ po dostatečně dlouhou dobu. • Problém spočívá v reaktivnosti nabitých částic. Částice mohou reagovat mezi sebou (rekombinace) nebo se stěnami reaktoru (neutralizace). Pokud potřebujeme tyto ztráty vyrovnat a držet v sytému dostatečný počet částic - musíme do systému neustále dodávat energii. 5 ee- ++ hν rekombinaceionizace Jak přimět nevodič vést elektrický proud? – Dodáním tepelné energie! 6 Ionizace plynu – dodání ionizační energie • Zvyšováním teploty plynu • Nepružné srážky částic plynu vedou ke generaci nabitých částic – ionizace plynu tepelnou energií. (ohřev/hoření, fokusace laserových paprsků do jednoho bodu) • Absorpcí vysokoenergetického záření částicí plynu • Absorpcí UV, X-ray, kosmického záření může dojít k ionizaci + odtržení elektronu a vytvoření dvojice elektron-ion. • Urychlením nabité částice v elektrickém poli • Elektrické pole začne urychlovat nabité částice (především má vliv na volné elektrony). Získá-li částice (elektron) dostatečnou rychlost (kinetickou energii), může při srážce dojít k ionizaci neutrální částice. 7 Ionizace plynu – zvyšováním teploty plynu • Sahova rovnice: 𝑛 𝑒 2 𝑛 − 𝑛 𝑒 = 𝐶𝑇3/2exp(− 𝑈𝑖 𝑘𝑇 ) • Kde: ne=ni , n=n0+ni , C≈2,4*1021 m-3, k- Boltzmanova konst., T – teplota plynu, Ui - ionizační potenciál • Za termodynamické rovnováhy se proces generace párů nabitých částic s rostoucí teplotou dá popsat statisticky pomocí Sahovy rovnice. 8 Ionizace plynu – zvyšováním teploty plynu 9 http://csep10.phys.utk.edu/OJTA2dev/ojta/c2c/ordinary_stars/harvard/ionization_ic/frame.html Ukázka stupně ionizace vodíku a helia v závislosti na teplotě: Ionizační potenciál - Ui Ionizace plynu – srážky molekul plynu (elektrické plazma) 10 e- e-ee- ++ hν rekombinaceionizace Elektrické plasma – nejčastější laboratorní a průmyslové plazma) • Podle metody (CCP, ICP, GD, DBD, plasma jet atd.) • Podle průběhu napětí (AC/DC, pulzní/sinus., MW, kHz, GHz) Elektrické plazma – výbojová trubice Výboje v plynech Podmínka existence plazmatu: • Kvazineutralita plazmatu (Debeyova délka) ℎ = 𝜀0 𝑘 𝑒2 𝑛0 ∗ 𝑇+ ∗ 𝑇− 𝑇+ + 𝑇− • (rozměr plazmatu musí být mnohem větší než Debyeova délka) • Počet částic v Debyeově kouli 𝑁 𝐷 = 4𝜋 3 ℎ3 𝑛0 ≥ 1 • (hustota nabitých částic v Debyeově kouli musí být statisticky významná, aby se uplatnilo jejich kolektivní chování) • Plazmová frekvence je vyšší než srážková frekvence 𝜔 𝑝 = 𝑒2 𝑛0 𝜀0 𝑚− 𝜈− < 2𝜔 𝑝 • (v opačném případě by se totiž nabité částice vzájemně neovlivňovaly elektromagnetickými silami, ale pohybovaly pod vlivem srážek s neutrálním plynem) Pracovní tlak a zápalné napětí u zářivky: 400 Pa, 100-120V Výboje v plynech – Paschenova křivka Demonstration of the Paschen effect. When the pressure of the gas in the bulb was reduced, the discharge took place through the long tube and not across the small gap between the metal electrodes. Výboje v plynech Výboje v plynech - DBD Výboje v plynech - plasma jet Výboje v kapalinách Střední vzdálenost mezi molekulami /atomy je: 0,2-0,3 nm 0,2 nm 2-3 nm Vzdálenosti pro molekulu vody: Výboje v kapalinách Propagace výboje v kapalině: 1. Iniciace 1. Elektrolýza kapaliny 2. Var a vytvoření „bubliny“ (Jouleův ohřev) 3. Kavitace kapaliny 2. Propagace - průraz 1. Primární streamer 2. Sekundární streamer 3. Průraz (jiskra) 3. Vytvoření vodivého kanálu – termalizace 4. Relaxace a zánik vodivého kanálu Primární streamer Sekundární streamer Problém: • K iniciaci výboje je zapotřebí vysokého napětí a je potřeba dodat velké množství energie (vysoké ztráty způsobené ohřevem kapaliny). • Řeší se použitím pulzních generátorů o poskytující vysoké napětí (kV) v krátkém čase. Pulzní zdroje Thyratron pulsed power supply (up to 25 kV) Výboje v kapalinách – A) Přídavek plynu Výboje v kapalinách – B) Výboje na štěrbině Pulzní zdroj – 10Hz, 50kV/10ns (á 5J na výboj)Aparatura na opracování plošné textilie pomocí výboje na štěrbině Výboje v kapalinách – B) Plazmová tryska v kapalině Výboje v kapalinách – C) Výboje nad hladinou kapaliny DBD zdroj – sinus 15 kHz, 20kVAparatura na opracování plošné textilie pomocí výboje nad hladinou kapaliny Výboje v kapalinách – C) Výboje nad hladinou kapaliny 0 W 3 W 6 W 9 W 3 W 6 W 9 W Výboje v kapalinách – D) Hladinové výboje Zvláštní případ DBD výbojů – 15kHz, 20kV Děkuji za pozornost 26