پلاسما: مبانی، برنامه‌ها، و تشخیص‌ها

امروزه پردازش پلاسما در ساخت دستگاه‌های کوچک، مهره اصلی محسوب می‌شود. همچنین، آن را به عنوان یک روش درمان سطحی برای صنایع مختلف به منظور افزایش عمر ابزاری که از آنها استفاده می کنند به حساب می‌آورند. تولیدات مواد نانو که امروزه، میل مفرطی به آن احساس میشود، بخشی عظیمی از سهم خود را مدیون تکنیک‌های پردازش پلاسما است.
سه حالت ماده شامل جامدات، مایعات و گازها هستند . با این حال، پلاسما، همانطور که همه ما میدانیم، چهارمین حالت ماده است که در آن ماده به عنوان الکترون و یون وجود دارد. بنابراین یک گاز الکتریکی است با هر دو یون مثبت و الکترونهای منفی که آزادانه حرکت میکنند. این معمولا زمانی اتفاق می‌افتد که به یک گاز انرژی بیشتری داده شود و طی آن الکترونهایی که بار منفی دارند و توسط هسته کشیده میشوند، آزاد شوند. شایع ترین روش تولید و نگهداری پلاسمای دمای پایین برای کاربرد تکنولوژیکی و فنی، بکاربردن یک میدان الکتریکی بر روی گاز خنثی است. در یک روش متمرکزتر، پلاسما می تواند به عنوان یک گاز تقریبا یونیزه شده، مخلوطی از الکترونها، یون اتمی، یون مولکولی، اتم های خنثی و مولکولها در زمین و حالت های تحریک شده تعریف شود. ذرات باردار منفی و مثبت، یکدیگر را خنثی میکنند و بنابراین اکثر آنها از لحاظ الکتریکی خنثی هستند. این ویژگی را شبه خنثی مینامند. حضور ذرات باردار در پلاسما موجب هدایت سریع الکتریکی میشود.
حرکت ذرات در پلاسما میتواند منجر به غلظتهای موضعی و بار الکتریکی مثبت و منفی شود. این غلظتهای باردار، میدان الکتریکی بزرگی را ایجاد میکنند که بر روی حرکت ذرات باردار که دور از غلظت های باردار هستند، تاثیر می گذارند. بنابراین، عناصر یکدیگر را تحت تاثیر قرار می دهند، حتی در فواصل طولانی، که این به پلاسما، حرکت بهم پیوسته مشخصی میدهد. در یک روش دقیق تر، پلاسما را می توان به عنوان یک شبه گاز خنثی که از ذرات باردار و خنثی تشکیل شده تعریف کرد که بوسیله یک حرکت بهم پیوسته، تشخیص داده می شود.
در پلاسما، هم یونها وهم الکترونها، بطور آزادانه حرکت می کنند، در حالی که در یک گاز آنها به اتم متصل هستند. این اتفاق زمانی می افتد که ما گاز را گرم میکنیم و انرژی به آن میدهیم تا درجه حرارت آن بالا برود؛ و هنگامی که درجه حرارت، پایین آورده میشود، الکترونها و یونها برمیگردند، تا حالت اتمی جداگانه‌ای را تشکیل بدهند.
(ورود انرژی) (خروج انرژی)
گاز -----> پلاسما ----> گاز
حالت پلاسما دارای مقدار انرژی بیشتری نسبت به حالت جامد، مایع و گاز است و از این رو به عنوان عنصر چهارم ماده شناخته میشود. پویایی حرکت پلاسما نسبت به سایر حالتهای ماده منحصر به فرد است. در مورد برخورد ذرات خنثی بین دو ذره، هر ذره به صورت دست نخورده حرکت می کند تا اینکه با ذره دیگری برخورد کند. در حالی که در مورد پلاسما، وضعیت کاملا فرق میکند. از آنجائی که آنها ذرات باردار را تشکیل می دهند، حرکات آنها باعث جدایی بین ذرات بارداری میشود که میدانهای الکتریکی را گسترش میدهند و حرکت ذرات باردار نیز میدان مغناطیسی را بسط میدهند. این نیروها بر حرکت ذرات دیگر تأثیر می گذارند و نیروهایی با محدوده وسیع در پلاسما ایجاد می کنند که به این ترتیب پیچیدگی وضع آن افزوده میشود.

بیشتر بخوانید: پیدایش فیزیک پلاسما

این ایروینگ لانگمن، برنده جایزه نوبل بود که نام پلاسما را به آن داد. در حال کار بر روی تخلیه گاز مرطوب، او یک نوسان الکتریکی را در آنها مشاهده کرد و به عنوان "نوسانات پلاسما" به آن اشاره کرد. از آن زمان به بعد کلمه "پلاسما" (به معنای "ماده قالببندی") برای نشان دادن هدایت گاز استفاده شده است و به این دلیل که خواص آن کاملا متفاوت از گازهای معمول عادی است، پلاسما را حالت چهارم طبیعت نامیدند.

منابع پلاسما

99٪ ماده در دنیا، به حالت پلاسما وجود دارد.
* در یک روز آفتابی روشن، فقط به سمت خورشید نگاه کنید. خورشید ما که از ترکیب هسته‌ای قدرت گرفته، یک پدیده غول پیکر از فعالیت به ظاهر بی پایان پلاسما است.
* یک تابلوی نئون یا یک لامپ فلورسنت نیز یک پدیده پلاسما است که در آن، هنگامی که ولتاژ در آن وارد میشود، گاز تبدیل به یک پلاسمای هدایت کننده میشود.
* رعد و برق اتفاق می‌افتد زمانی که اختلاف پتانسیل سنگینی در ابرها وجود داشته باشد و آنها در نهایت باعث تخلیه جریان سنگینی می شوند.
* جوشکاری پدیده‌ای است شبیه به رعد و برق و قوس روشنی که ما می بینیم چیزی جز پلاسمای تولید شده، موقعی که جریانی را از طریق شکاف بین الکترود و بستر جریان می دهد، نیست.
* وزیدن باد شمال، از دیگرجاهایی است که ما با پلاسما روبرو می شویم.

تولید پلاسما

پلاسما معمولا هنگامی به دست می‌آید که انرژی کافی، بالاتر از انرژی یونیزاسیون، به اتم های گاز اضافه شود، و باعث یونیزاسیون و تولید یونها و الکترونها شود. به طور موازی و همزمان با یونیزاسیون، روند متقابل ترکیب دو باره الکترونها با یون ها، اتم ها یا مولکول های خنثی را تشکیل می دهد. اگرچه ما میتوانیم پلاسما را با حرارت دادن بسیار بالای گاز بوجود بیاوریم ولی این امر نمیتواند راه خوبی برای انجام این کار باشد زیرا ظرف آزمایش خودش گرم، تبخیر و یونیزه میشود. به همین دلیل ما معمولا برای ساختن پلاسما، گاز را با دمای متوسط گرم میکنیم و سپس جریان برق را از آن عبور میدهیم یا با استفاده از امواج فرکانس رادیویی به آن انرژی میدهیم. اگر چه آنها معمولا توسط تخلیه‌های الکتریکی در گاز تولید می شوند، ولی می توان پلاسما را هنگامی که انرژی کافی برای مایع یا جامد فراهم میشود وباعث ایجاد تبخیر و یونیزاسیون میگردد، نیز تهیه کرد.
شایع ترین روش تولید و نگهداری پلاسمای دمای پایین برای کاربرد تکنولوژیکی و فنی، بکاربردن یک میدان الکتریکی بر روی گاز خنثی است. هر حجم گاز خنثی همیشه شامل چندین الکترون و یون است. به عنوان مثال: فعل انفعال پرتوهای کیهانی یا پرتو افشانی رادیواکتیو با گاز. این حاملهای رایگان با استفاده از میدان الکتریکی شتاب میگیرند و ممکن است ذرات باردار جدیدی تولید شوند و آن موقعی است که این حاملهای شارژ با اتمها و مولکولهای موجود در گاز یا سطوح الکترودها برخورد میکنند. این منجر به بهم ریختگی ذرات باردار شده میشود که در نهایت با کاهش ذرات باردارحامل ها، تعادل برقرار میشود، به طوری که پلاسمای حالت پایدار، توسعه مییابد.
راه های مختلف دیگری برای تامین انرژی لازم برای تولید پلاسما از گاز خنثی وجود دارد. یک راه آن، تامین انرژی حرارتی است، به عنوان مثال در شعله های آتش، که در آن واکنشهای شیمیایی حرارتی مولکولها به عنوان منبع اولیه انرژی استفاده میشود. فشرده سازی عایق گرما در گاز نیز، قادر به گرم کردن گاز تا رسیدن به مرحله تولید پلاسما است. با این حال، راه دیگری برای تامین انرژی برای مخزن گاز از طریق پرتوهای پر انرژی است که در حجم گاز تعدیل ایجاد میکند. پرتوهای ذرات خنثی دارای مزیتی هستند که بوسیله میدان های الکتریکی و مغناطیسی منحرف نمیشوند. پرتوهای نوری عمدتا برای حفظ پلاسما یا برای گرم کردن پلاسما در دستگاه‌های ترکیبی استفاده میشوند.

برنامه های کاربردی پلاسما

پلاسما، به جز استفاده از آنها در دستیابی به ترکیبات هسته‌ای، چندین کاربرد صنعتی و تجاری نیز دارد:
1. فرآیندهایی مانند پردازش و رسوب پلاسما، در صنایع نیمه هادی مورد استفاده قرار میگیرند. ابزار و انعطاف پذیری تکنولوژی پلاسما ناشی از این واقعیت است که می توان آن را برای تغییر سطوح مختلف در شرایط دقیقا کنترل شده، مورد استفاده قرار داد، بدون خطرات ایمن شده و بدون زباله‌های مایع که مرتبط با فرایندهای مرطوب هستند.
2. آنها می توانند برای تصحیح سطح، پوشش نازک فیلم و سایر تکنیکهای پردازش پلاسما، مورد استفاده قرار گیرند ( نیتریت پلاسما، پخش پلاسما، پوشش بخار شیمیایی با کمک پلاسما، ایمپلنت یون پلاسما و غیره).
3. نیروی محرکه و نیروی فشار.
4. جرقه پلاسما برای برش، حفاری و فرآیندهای جوشکاری مورد استفاده قرار میگیرد.
5. اصلاح سطوح با پلاسما
6. در شیمی پلاسما - تبدیل ترکیبات ویژه، تولید پیش ماده‌ها، تولید مولکولهای غیر ساکن، پاکسازی گازها، گازهای دودکش و اگزوز دیزل.
7. تکنیک های پلاسما میتواند برای ترمیم الیاف و نساجی با کیفیت و بهسازی بیشتر، مورد استفاده قرار گیرد.
8. پلاسما در تصفیه کردن آب و پاکسازی هوا کاربرد دارد.
9. پلاسما تخلیه را با قدرت بالایی انجام میدهد و لامپ های نئون و فلورسنت را روشنایی می بخشد.
10. فرایندهای سخت افزاری برای ابزارهای صنعتی.

تشخیص پلاسما

برای درک بهترکارکرد پلاسما، هر آزمایش باید ابزارهای مختلفی برای نمونه برداری و نظارت بر خواص آن را داشته باشد. تشخیص پلاسما مربوط میشود به تکنیک های مورد استفاده برای جمع آوری اطلاعات در مورد پلاسمای آزمایشگاهی و سایر موارد . ما میتوانیم بگوییم پیشرفت در تحقیقات مربوط به پلاسما میتواند محاسبه شود و با مرحله توسعه تکنیکهای اندازه گیری و کفایت تفسیر نظری همراه باشد.
تشخیص به ما کمک میکند که هر دو خواص در مقیاس بزرگ (خواص بزرگ مقیاس) و همچنین خواص در مقیاس بسیار کوچک (خواص کوچک مقیاس) را که به علت فرآیندهای اتمی بوجود میآیند، اندازه گیری کنیم. بنابراین، جریان کل از طریق پلاسما، ولتاژ در سراسر آن، هدایت آن، همه به خواص بزرگ آن اشاره دارد. اندازه گیری‌های میکروسکوپی شامل اندازه گیری خطوط طیفی، مایکروویو، اشعه ایکس و سایر تکنیکها میباشد. از صدها تشخیص استفاده شده و بعضی از آنها در زیر آورده شده است:

1. جستجوی مغناطیسی

از یک جستجوگر مغناطیسی برای اندازه گیری میدان مغناطیسی پلاسما استفاده میشود. این ساده‌ترین روش شامل یک گیرنده حساس است که معمولا یک سیم نور سنج است که با توجه به جهت میدانی که بایستی اندازه گیری شود، قرار می گیرد. این امکان وجود دارد که میدان را در تمام جهات با موقعیت مناسب جستجوگر اندازه گیری کرد. اصل اساسی این کاوشگر، تغییر میدان مغناطیسی (ِdt/dB) است که موجب جریان ولتاژ در سراسر حلقه میشود. سپس سیگنال یکپارچه میشود تا مقدار (t)B مشخصات موقعیت میله یا فنر را بتوان بدست آورد.

2. سیم پیچ روگوفسکی

سیم پیچ روگوفسکی، اندازه گیری مستقیم کل جریانی را که از مرکزش میگذرد، انجام میدهد. همان طور که در شکل نشان داده شده، این یک سیم پیچ استوانه‌ای است که هر دو طرف آن به هم وصل شده‌اند تا به شکل یک هلال در آید. خروجی ولتاژ سیم پیچ، یکپارچه میشود تا یک سیگنال متناسب با I دهد.

3. جستجو گر لانگمویر

جستجو گر لانگمویر، یک الکترود رسانای کوچک است که برای اندازه گیری تراکم، دما و پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) پلاسما استفاده میشود. لانگمویر میتواند برای تشخیص کارکرد توزیع ذرات در یک پلاسما مورد استفاده قرار گیرد، البته با کمک گرفتن از یک جستجو گر که به طور مستقیم سرعت جریان ذرات را محاسبه کند.

4. مادون قرمز و تداخل سنجی

اندازه گیری‌های مختصات تراکم در زمان واقعی تعیین شده بعنوان یک اقدام ضروری برای عملیات پیشرفته ترکیب توکاماک. تداخل سنجی مادون قرمزچند کاناله (FIR)، روشی اثبات شده برای اندازه گیری مختصات تراکم است.

5. بازتاب سنجی

پلاسماها رسانه‌های پراکنده‌ای هستند که شاخص انکسار آنها، عملکرد چگالی پلاسما است. پرتو فرکانس بالاتر، بازتابی از لایه‌های بالاتر تراکم پلاسما است. بازتاب سنجی، همانطور که از اسم آن میشود فهمید، از انعکاس امواج الکترومغناطیسی از برش‌های پلاسما بوجود میاید تا اندازه گیری مختصات را انجام دهد و یا نوسانات تراکم را بسنجد.

6. فرضیه انتشار الکترون شتابگر

الکترونهایی که در اطراف خطوط میدان مغناطیسی حرکت میکنند موجب انتشار در هماهنگی فرکانس شتابگر الکترون میشوند. اگر الکترونها به اندازه کافی گرم و به اندازه کافی متراکم باشند، پلاسما ضخیم به نظر میرسد. در این شرایط، انتشار الکترون شتابگر (ECE)، به طور مستقیم با دمای الکترون تناسب دارد و مستقل از همه پارامترهای دیگر پلاسما است. از آنجائی که فرکانس شتابگر الکترونی متناسب با کل میدان مغناطیسی است، انتشار فرکانس داده شده از یک لایه بسیار خاص از پلاسما خارج میشود که مربوط به میدان مغناطیسی داده شده است. اندازه گیری قدرت انتشار به عنوان عملکرد فرکانس اجازه میدهد تا دمای الکترون به عنوان عملکرد شعاع پلاسما محاسبه شود. تصور فضای انتشاردرنظم ردیابها، قابلیتهای شعاع سنج ECEی برای به تصویر کشیدن ECE را گسترش میدهد.

7. انرژی سنج

این تکنیکی است که مقدار از دست دادن پرتو افشانی را اندازه گیری میکند. اکثر انرژی سنج‌ها شامل یک عنصر جذب هستند و طراحی شده‌اند برای جذب تمام انرژی ایجاد شده، که افزایش درجه حرارت آن، با روش های مناسب حساس اندازه گیری میشود، و این برابر با کل انرژی جاری شده است که تقسیم بر ظرفیت حرارتی انرژی سنج میشود.

8. تکنیکهای مایکروویو

این تکنیکها برای اندازه گیری خواص پلاسما هستند که از طریق فعل و انفعال میدانهای الکترومغناطیسی با بارهای آزاد پلاسما صورت میگیرد.

منبع مقاله :
برگرفته از سایت بازل