Области применения плазмы

Способы создания низкотемпературной плазмы

По спо­со­бам по­лу­че­ния и ис­поль­зо­ва­ния Н. п. мож­но раз­де­лить на га­зо­раз­ряд­ную, пуч­ко­вую, фо­то­ре­зо­нанс­ную, ла­зер­ную, ио­но­сфер­ную, сол­неч­ную, кос­ми­че­скую. В Н. п. по­те­ри за­ря­жен­ных час­тиц свя­за­ны с ре­ком­би­на­ци­ей элек­тро­нов и ио­нов и с ухо­дом за­ря­жен­ных час­тиц на стен­ки ка­ме­ры или за пре­де­лы за­ни­мае­мо­го объ­ё­ма. Для под­дер­жа­ния су­ще­ст­во­ва­ния плаз­мы не­об­хо­ди­мы про­цес­сы ио­ни­за­ции.

Наи­бо­лее из­вест­ный и про­стой спо­соб по­лу­че­ния Н. п. – га­зо­раз­ряд­ный. Плаз­ма соз­да­ёт­ся в ре­зуль­та­те про­те­ка­ния в га­зе элек­трич. то­ка ме­ж­ду элек­тро­дами, к ко­то­рым при­ло­же­на по­сто­ян­но под­дер­жи­вае­мая раз­ность по­тен­циа­лов. Мо­гут быть реа­ли­зо­ва­ны разл. ти­пы га­зо­во­го раз­ря­да (см. Элек­три­че­ские раз­ря­ды в га­зах) в за­ви­си­мо­сти от кон­ст­рук­ции га­зо­раз­ряд­ной ка­ме­ры и ис­поль­зуе­мых для соз­да­ния раз­ря­да элек­трич. или элек­тро­маг­нит­ных по­лей.

Га­зо­раз­ряд­но­му спо­со­бу соз­да­ния Н. п. по­доб­но по­лу­че­ние её при элек­трич. про­бое га­за под дей­ст­ви­ем раз­но­сти по­тен­циа­лов, при­ло­жен­ной к элек­тро­дам. В этом слу­чае по­лу­ча­ют им­пульс­ную плаз­му, ко­то­рая рас­па­да­ет­ся, как толь­ко кон­ден­са­тор раз­ря­дит­ся. По­доб­ное яв­ле­ние име­ет ме­сто в при­зем­ной ат­мо­сфе­ре: мол­ния – про­бой га­за ме­ж­ду об­ла­ка­ми или ме­ж­ду об­ла­ком и зем­лёй во вре­мя гро­зы.

Под дей­ст­ви­ем ре­зо­нанс­но­го из­лу­че­ния об­ра­зу­ет­ся т. н. 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 или пе­ре­страи­вае­мый по час­то­те ла­зер. Этот спо­соб ге­не­ра­ции плаз­мы по­зво­ляет лег­ко ре­гу­ли­ро­вать её па­ра­мет­ры, по­это­му фо­то­ре­зо­нанс­ная плаз­ма при­ме­ня­ет­ся при соз­да­нии плаз­мен­ных не­ли­ней­ных оп­тич. эле­мен­тов для пре­об­ра­зо­ва­ния и ста­би­ли­за­ции час­то­ты ла­зер­но­го из­лу­че­ния, а так­же для соз­да­ния ис­точ­ни­ков ио­нов раз­но­го сор­та, акус­тич. ис­точ­ни­ков и т. д.

Ла­зер­ная плаз­ма об­ра­зу­ет­ся при взаи­мо­дей­ст­вии ла­зер­но­го из­лу­че­ния с по­верх­но­стью, га­зом или кла­стер­ным пуч­ком. В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий воз­никают разл. ти­пы ла­зер­ной плаз­мы. В ча­ст­но­сти, фем­то­се­кунд­ная ла­зер­ная плаз­ма соз­да­ёт­ся при об­лу­че­нии по­верх­но­сти или пуч­ка кла­сте­ров сфо­ку­си­ро­ван­ным мощ­ным ла­зер­ным им­пуль­сом, на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля ко­то­ро­го зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет внут­ри­атом­ное по­ле. Об­ра­зуе­мая ко­рот­ко­жи­ву­щая плаз­ма со­сто­ит из элек­тро­нов и мно­го­за­ряд­ных ио­нов и яв­ля­ет­ся ис­точ­ни­ком рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Фем­то­се­кунд­ная ла­зер­ная плаз­ма с уча­сти­ем кла­сте­ров дей­те­рия ис­поль­зу­ет­ся для ге­не­ра­ции ней­тро­нов.

Пуч­ко­вая плаз­ма воз­ни­ка­ет при про­хо­ж­де­нии че­рез газ пуч­ка элек­тро­нов с энер­ги­ей в неск. со­тен кэВ. Та­кие бы­ст­рые элек­тро­ны из элек­трон­ной пуш­ки на­прав­ля­ют­ся в ла­бо­ра­тор­ную ус­та­нов­ку, со­дер­жа­щую газ при бо­лее вы­со­ких дав­ле­ни­ях. Воз­ни­каю­щие при ио­ни­за­ции ато­мов или ио­нов вто­рич­ные элек­тро­ны име­ют энер­гию, в неск. раз пре­вы­шаю­щую по­тен­ци­ал их ио­ни­за­ции. Да­лее ис­поль­зу­ет­ся энер­гия этих вто­рич­ных элек­тро­нов, по­это­му кпд уст­ройств, воз­бу­ж­дае­мых элек­трон­ным пуч­ком, дос­та­точ­но ве­лик. Напр., кпд мо­ле­ку­ляр­ных, хи­мич. и эк­си­мер­ных ла­зе­ров, воз­бу­ж­дае­мых элек­трон­ным пуч­ком, пре­вы­ша­ет 10%. Од­на­ко осн. дос­то­ин­ст­во воз­бу­ж­де­ния плаз­мы элек­трон­ным пуч­ком – воз­мож­ность бы­ст­ро­го под­во­да энер­гии. Ха­рак­тер­ные вре­ме­на воз­бу­ж­де­ния плаз­мы элек­трон­ным пуч­ком по­ряд­ка 10–9 с.

Н. п. мо­жет быть по­лу­че­на под дей­ст­ви­ем жё­ст­ко­го элек­тро­маг­нит­но­го из­луче­ния, ио­ни­зую­ще­го газ (ио­но­сфе­ра Зем­ли и др. пла­нет), в ре­зуль­та­те про­хож­де­ния пуч­ка ио­нов или ней­тро­нов че­рез газ. Н. п. мож­но соз­дать с ис­поль­зо­ва­ни­ем ра­дио­ак­тив­ных ис­точ­ни­ков; в пла­мё­нах за­ря­жен­ные час­ти­цы об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те про­цес­сов хе­мио­ни­за­ции.

Процессы в низкотемпературной плазме

В Н. п. про­ис­хо­дят эле­мен­тар­ные про­цес­сы воз­бу­ж­де­ния, ио­ни­за­ции, ре­ком­би­на­ции за­ря­жен­ных час­тиц, хи­мич. про­цес­сы с уча­сти­ем этих час­тиц, воз­бу­ж­дён­ных ато­мов и мо­ле­кул, про­цес­сы пе­ре­но­са за­ря­жен­ных и воз­бу­ж­дён­ных час­тиц, про­цес­сы пе­ре­но­са энер­гии за счёт те­п­ло­про­вод­но­сти, кон­век­ции, а так­же вол­но­вые про­цес­сы. По­след­ние мо­гут при­вес­ти к не­ус­той­чи­во­стям, об­ра­зо­ва­нию плаз­мен­ных струк­тур (стра­ты, до­ме­ны), кон­трак­ции га­зо­раз­ряд­ной плаз­мы и т. д.

Раз­но­об­ра­зие эле­мен­тар­ных про­цес­сов в плаз­ме мож­но ви­деть на при­ме­ре про­цес­сов ио­ни­за­ции, ко­то­рые при­во­дят к об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных элек­тро­нов в плаз­ме. Это мо­гут быть: пря­мая ио­ни­за­ция ато­мов га­за при столк­но­ве­нии с элек­тро­ном ($e A→2e A^ $; здесь $e$ – элек­трон, $A$ – атом, $A^ $ – ион), сту­пен­ча­тая ио­ни­за­ция с уча­сти­ем воз­бу­ж­дён­ных ато­мов $A^*; (e A^*→ 2e A^ )$, про­цесс Пен­нин­га при столк­но­ве­нии ме­та­ста­биль­но­го ато­ма с энер­ги­ей воз­бу­ж­де­ния, пре­вы­шаю­щей по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции парт­нё­ра по столк­но­ве­нию $(A^* B→e A B^ )$, ас­со­циа­тив­ная ио­ни­за­ция с об­ра­зо­ва­ни­ем мо­ле­ку­ляр­но­го ио­на $(A^* B→ e AB^ )$, фо­то­ио­ни­за­ция $(γ A→ 3e A^ )$ и т. д. Мно­го­об­ра­зие про­цес­сов соз­да­ния и эво­лю­ции плаз­мы за­ви­сит от ус­ло­вий её су­ще­ст­во­ва­ния.

Вол­но­вые свой­ст­ва Н. п., оп­ре­де­ляе­мые элек­тро­на­ми и ио­на­ми, не за­ви­сят от при­сут­ст­вия ато­мов или мо­ле­кул в си­лу даль­но­дей­ст­вую­ще­го ха­рак­те­ра взаи­мо­дей­ст­вия за­ря­жен­ных час­тиц. В од­но­род­ной Н. п. име­ют­ся две вет­ви ко­ле­ба­ний: плаз­мен­ные ко­ле­ба­ния, оп­ре­де­ляе­мые дви­же­ни­ем элек­тро­нов и плаз­мен­ной час­то­той $ω_р=(4πn_ee^2/m_e)^{1/2}$ ($m_e$ – мас­са элек­тро­на), и ион­но-зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, оп­ре­де­ляе­мые пе­ре­ме­ще­ни­ем ио­нов. Эти ти­пы ко­ле­ба­ний раз­ли­ча­ют­ся из-за раз­ной мас­сы элек­тро­нов и ио­нов. В не­од­но­род­ной Н. п., а так­же и в од­но­род­ной при на­ли­чии внеш­них по­лей воз­ни­ка­ют но­вые ти­пы ос­цил­ля­ций. Напр., в од­но­род­ной Н. п., на­хо­дя­щей­ся в по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле, воз­ни­ка­ют маг­ни­тоз­ву­ко­вые вол­ны и маг­ни­то­гид­ро­ди­на­мич. вол­ны (аль­ве­нов­ские вол­ны), рас­про­стра­няю­щие­ся со­от­вет­ст­вен­но по­пе­рёк и вдоль маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний. К ним сле­ду­ет до­ба­вить цик­ло­трон­ные вол­ны, со­от­вет­ст­вую­щие вра­ще­нию элек­тро­нов или ио­нов в маг­нит­ном по­ле (см. Вол­ны в плаз­ме). Из-за сме­ши­ва­ния раз­ных ти­пов ко­ле­ба­ний их чис­ло уве­ли­чи­ва­ет­ся. Напр., в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­ют­ся сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки, ко­то­рые яв­ля­ют­ся сме­сью элек­тро­маг­нит­ной и цик­ло­трон­ной волн и рас­про­стра­ня­ют­ся вдоль маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний.

Кол­лек­тив­ные яв­ле­ния влия­ют на свой­ст­ва Н. п., а не­ус­той­чи­во­сти ко­ле­ба­ний плаз­мы при­во­дят к воз­ник­но­ве­нию плаз­мен­ных струк­тур и рас­кач­ке оп­ре­де­лён­ных ти­пов волн. Ко­гда ам­пли­ту­да этих волн ста­но­вит­ся за­мет­ной, эво­лю­ция плаз­мы оп­ре­де­ля­ет­ся не­ли­ней­ны­ми про­цес­са­ми. Од­ним из при­ме­ров это­го яв­ля­ет­ся воз­ник­но­ве­ние со­ли­то­на – уе­ди­нён­ной вол­ны, пред­став­ляю­щей со­бой не гар­мо­нич. рас­пре­де­ле­ние час­тиц в про­стран­ст­ве, а вы­со­кую плот­ность час­тиц, со­сре­до­то­чен­ную в уз­кой об­лас­ти про­стран­ст­ва.

Применение низкотемпературной плазмы

Раз­но­об­раз­ное ис­поль­зо­ва­ние Н. п. оп­ре­де­ля­ет­ся про­сто­той её соз­да­ния. Га­зо­раз­ряд­ная плаз­ма при­ме­ня­ет­ся в ис­точ­ни­ках све­та, га­зо­вых ла­зе­рах, в плаз­мохи­мич. про­цес­сах и про­цес­сах очи­ст­ки га­зов, для об­ра­бот­ки по­верх­но­стей, в разл. тех­но­ло­гич. и ме­тал­лур­гич. про­цес­сах. Н. п. как ра­бо­чее те­ло ис­поль­зу­ет­ся для пре­об­ра­зо­ва­ния те­п­ло­вой энер­гии в элек­три­че­скую в маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ских ге­не­ра­то­рах и тер­мо­эмис­си­он­ном пре­об­ра­зо­ва­те­ле энер­гии. В плаз­мо­тро­не Н. п. вы­пол­ня­ет роль те­п­ло­носи­те­ля. Вво­ди­мая в плаз­му элек­трич. энер­гия пе­ре­да­ёт­ся элек­тро­нам, а от них – ато­мам и/или мо­ле­ку­лам га­за и на­гре­ва­ет плаз­му.

Ши­ро­кое тех­но­ло­гич. при­ме­не­ние плаз­мы обес­пе­чи­ва­ет­ся дву­мя её ка­че­ст­ва­ми. Во-пер­вых, плаз­ма яв­ля­ет­ся от­лич­ным те­п­ло­но­си­те­лем, т. к. в ней дос­ти­га­ют­ся бо­лее вы­со­кие темп-ры, чем в го­рел­ках на хи­мич. то­п­ли­ве. Во-вто­рых, в плаз­ме об­ра­зу­ет­ся мно­го ио­нов, ра­ди­ка­лов и разл. хи­ми­че­ски ак­тив­ных час­тиц, по­это­му с её по­мо­щью мож­но про­вес­ти хи­мич. про­цес­сы в объ­ё­ме или на по­верх­но­сти. По­сколь­ку макс. темп-pa в хи­мич. го­рел­ках не пре­вы­ша­ет 3000 К, их при­ме­не­ние для свар­ки и рез­ки ме­тал­лов ог­ра­ни­че­но. Ду­го­вой раз­ряд по­зво­ля­ет соз­дать плаз­му с темп-рой в 3–4 раза вы­ше, ко­то­рая при со­при­кос­но­ве­нии с ме­тал­лом рас­плав­ля­ет его. Плаз­мен­ные ме­то­ды свар­ки и рез­ки ме­тал­лов обес­пе­чи­ва­ют бо­лее вы­со­кие про­из­во­ди­тель­ность и ка­че­ст­во про­дук­та, да­ют мень­ше от­хо­дов, но тре­бу­ют бо́ль­ших за­трат энер­гии и бо­лее до­ро­го­го обо­ру­до­ва­ния.

Плаз­ма как хо­ро­ший те­п­ло­но­си­тель по­зво­ля­ет про­из­во­дить тер­мич. об­ра­бот­ку по­верх­но­сти и её за­кал­ку. При од­ном спо­со­бе об­ра­бот­ки по­верх­но­сти ак­тив­ные час­ти­цы плаз­мы всту­па­ют в хи­мич. ре­ак­цию с ма­те­риа­лом по­верх­но­сти, об­ра­зуя, напр., нит­ри­ды или кар­би­ды ме­тал­лов, что уп­роч­ня­ет по­верх­ность. При др. спо­со­бе об­ра­бот­ки плаз­ма не всту­па­ет с по­верх­но­стью в хи­мич. ре­ак­цию, но об­ра­зу­ет на ней свои хи­мич. со­еди­не­ния в ви­де плё­нок, улуч­шаю­щих фи­зич. па­ра­мет­ры по­верх­но­сти. Тол­щи­на плён­ки, на­пы­ляе­мой на по­верх­ность, про­пор­цио­наль­на вре­ме­ни плаз­мен­но­го про­цес­са. Ме­няя со­став плаз­мы, мож­но соз­да­вать мно­го­слой­ную струк­ту­ру. Об­ра­бот­ка отд. сло­ёв сфо­ку­си­ро­ван­ным из­лу­че­ни­ем ртут­ной лам­пы или ла­зе­ра по­зво­ля­ет по­лу­чать про­фи­ли­ро­ван­ные плён­ки с ми­ним. раз­ме­ром отд. эле­мен­тов в неск. мик­ро­мет­ров. Н. п. при­ме­ня­ет­ся для соз­да­ния по­ли­ме­ров и по­ли­мер­ных мем­бран, при про­из-ве по­рош­ков ке­ра­мич. со­еди­не­ний ($ce{SiC, Si3N4}$), ме­тал­лов и их ок­си­дов (см. Плаз­мо­хи­мия).

Н. п. ис­поль­зу­ет­ся для ана­ли­за эле­мент­но­го со­ста­ва ве­ще­ст­ва, осу­ще­ст­в­ляе­мо­го дву­мя спо­со­ба­ми. В пер­вом из них ис­сле­дуе­мое ве­ще­ст­во вво­дит­ся в плаз­мен­ную го­рел­ку (ду­го­вой раз­ряд с про­точ­ной плаз­мой) в мик­ро­ко­ли­че­ст­вах ли­бо в ви­де по­рош­ка, ли­бо в ви­де ка­пель. В плаз­ме ве­ще­ст­во дис­со­ции­ру­ет на ато­мы, ко­то­рые час­тич­но воз­бу­ж­да­ют­ся и из­лу­ча­ют. По спек­траль­но­му со­ста­ву из­лу­че­ния оп­ре­де­ля­ет­ся эле­мент­ный со­став ве­ще­ст­ва. Этот ме­тод, на­зы­вае­мый эмис­си­он­ным спек­траль­ным ана­ли­зом, по­зво­ля­ет на­дёж­но оп­ре­де­лять со­дер­жа­ние при­ме­сей в ко­ли­че­ст­ве 10–3–10–2%. В др. спо­со­бе эле­мент­но­го ана­ли­за ис­сле­дуе­мое ве­ще­ст­во так­же вво­дит­ся в пла­мя или в про­точ­ную плаз­му га­зо­во­го раз­ря­да, ко­то­рые на­хо­дят­ся ме­ж­ду дву­мя элек­тро­да­ми. Пла­мя или плаз­ма об­лу­ча­ют­ся из­лу­че­ни­ем пе­ре­страи­вае­мо­го ла­зе­ра, и ток че­рез плаз­му из­ме­ря­ет­ся как функ­ция дли­ны вол­ны из­лу­че­ния. Ко­гда из­лу­че­ние по­па­да­ет в ре­зо­нанс с пе­ре­хо­да­ми ато­мов, на­хо­дя­щих­ся в плаз­ме, ус­ло­вия ио­ни­за­ции ато­мов и раз­ряд­ный ток из­ме­ня­ют­ся. Чув­ст­ви­тель­ность ме­то­дов, ис­поль­зую­щих этот эф­фект (на­зы­вае­мый оп­то­галь­ва­ни­че­ским), на неск. по­ряд­ков вы­ше эмис­си­он­но­го.

Ряд идей при­ме­не­ния Н. п. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся лишь че­рез мно­го лет. Так, кон­ст­рук­ция плаз­мен­ных па­не­лей (плаз­мен­ных дис­пле­ев) для те­ле­ви­де­ния бы­ла опи­са­на в 1936, а пер­вые пром. об­раз­цы созда­ны че­рез 30 лет. Плаз­мен­ный дис­плей пред­став­ля­ет со­бой сис­те­му двух на­бо­ров па­рал­лель­ных про­во­лок, рас­по­ло­жен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но, так что в зо­не пе­ре­се­че­ния двух про­во­лок за­жи­га­ет­ся га­зо­вый раз­ряд, управ­ляе­мый внеш­ним ис­точ­ни­ком, ко­то­рый мо­жет ме­нять ин­тен­сив­ность и цвет ка­ж­до­го отд. раз­ря­да.

В кон. 20 – нач. 21 вв. свой­ст­ва Н. п. ста­ли ис­поль­зо­вать­ся для ре­ше­ния разл. мед. за­дач. Мощ­ная рав­но­вес­ная плаз­ма по­зво­ля­ет унич­то­жать опас­ные мед. от­хо­ды, ме­нее мощ­ная плаз­ма при­ме­ня­ет­ся для сте­ри­ли­за­ции мед. ин­ст­ру­мен­тов, т. н. плаз­мен­ный нож (уз­кий по­ток плаз­мы) ис­поль­зу­ет­ся для раз­ре­за­ния жи­вой тка­ни в хи­рур­гии. Ак­тив­ные час­ти­цы Н. п. (элек­тро­ны, ио­ны, ме­та­ста­биль­ные ато­мы и мо­ле­ку­лы) ока­зы­ва­ют ан­ти­сеп­тич. дей­ст­вие при за­жив­ле­нии ран. Плаз­мен­ные тех­но­ло­гии по­зво­ля­ют соз­да­вать спец. мед. ма­те­риа­лы.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Портал женской красоты