Насколько горячая плазма? Обработка плазмой чувствительных к нагреву материалов

Высокие температуры, которые часто достигаются при обработке плазмой, заставляют пользователей задуматься о безопасности процесса, особенно в случае обработки чувствительных материалов. В данной статье рассматриваются вопросы, касающиеся температуры плазмы и теплопередачи во время плазменной обработки, приведены примеры, доказывающие возможность использования плазмы там, где разогрев поверхности является критическим фактором.

Основной, казалось бы простой вопрос, но на который не так легко ответить — насколько горячая плазма?

Встречающаяся в природе плазма может достигать температуры до 10⁶ эВ (1 эВ ~ 11 600˚С) [1]. В промышленных применениях максимальные температуры составляют около 1 эВ [2]. Плазма — это высокоэнергетическое состояние и ее температура зависит от суммарной энергии её частиц (нейтральных атомов, электронов и ионов) и степени ионизации. Это дает возможность классифицировать разные типы плазмы в зависимости от их температуры, различая две основные категории: термические и не термические плазмы.

Мы не будем говорить о термической плазме, когда она полностью ионизирована и все частицы имеют одинаковую температуру. Классический пример — это солнечная корона или термоядерная плазма.

Мы рассмотрим не термическую или неравновесную плазму. Она имеет разную температуру электронов, ионов и нейтральных частиц. Таким образом, электроны могут достигать температуры 10 000˚С, в то время как большинство частиц газа значительно менее горячие или сохраняют комнатную температуру. Тем не менее, статическое измерение пламени плазмы, генерируемой системой Plasmabrush® PB3, покажет температуру ниже 1000°С при работе с сухим сжатым воздухом в качестве плазмообразующего газа. Это пламя — передняя, видимая часть плазменной струи и, как правило, которой обрабатывается поверхность изделий.

Рис. 1
Сопло А250 и статическая температура сопел А250, А350, А450 используемых в Plasmabrush^® PB3

Не термическую плазму часто называют «холодной плазмой», но этот термин следует использовать с осторожностью т. к он включает широкий спектр плазм низкого давления и плазм атмосферного давления.
Температура «холодной плазмы», генерируемой системой Piezobrush® PZ2, едва превышает температуру окружающего воздуха. Именно такие системы обеспечивают высокопроизводительную обработку изделий в промышленности.


Когда пользователи задают вопрос «Насколько горячая плазма?», часто подразумевают не температуру самой плазмы, а температуру у поверхности обрабатываемой поверхности. Для ее точного определения необходимо провести тщательные измерения.

На основе многолетних исследований, компания Relyon Plasma разработала программное обеспечение, которое дает возможность моделировать теплопередачу атмосферной или неравновесной плазмы обрабатываемой поверхности. Расчеты дифференцируются в зависимости от геометрии обрабатываемых поверхностей и настроек, выбранных для входной электрической мощности в плазме.

Рис. 2
Исследование температуры в процессе интенсивной плазменной обработки, смоделированное с помощью специализированного ПО. Различные линии показывают, как меняется температура в процессе обработки в различных слоях пластика толщиной 2мм. В то время как верхний слой нагревается при обработке, температура нижних слоев остается значительно ниже.

Результаты обширных измерений подтвердили — энергия, переданная обрабатываемой поверхности, затрагивает главным образом её верхние слои. Этот факт делает обработку атмосферной плазмой действительно обработкой именно поверхности. Эффекты очистки и смачивания обусловлены взаимодействием частиц плазмы с верхним атомным слоем поверхности материала и ни при каких условиях не воздействуют на его внутренние слои.

На температуру обрабатываемой поверхности значительное влияние оказывает скорость обработки и расстояние до нее плазменного источника.


Рис. 3
Исследование температуры в процессе щадящей плазменной обработки, смоделированное с помощью специализированного ПО. Различные линии показывают, как меняется температура в процессе обработки в различных слоях пластика толщиной 2мм. При щадящей обработке воздействию подвергается только верхний слой, нижние слои сохраняют комнатную температуру

Оценка этих параметров является абсолютно достаточной для большинства применений обработки плазмой.
В случае некоторых процессов, например, горячего плавления или нанесения покрытий, для получения оптимального результата необходимо более комплексно подходить к оценке влияющих параметров. Для этого, в дополнение к описанным двум параметрам, плазменная система предлагает настройку ещё 3 параметров — потока газа, частоты, электрической входной мощности.


Рассмотрим 3 варианта применения обработки атмосферной плазмой, критичных к тепловому воздействию и требующих прецизионного контроля техпроцесса. Возможности системы PlasmaBrush® PB3 представлены на примере обработки клеточных колоний, тонких пленок (в данном случае алюминиевая фольга) и осаждения тонких пленок полиэтилена пониженной плотности.

Клеточные колонии

Предполагается активация микроструктурированной поверхности трехмерных клеточных колоний без их теплового повреждения. Успех данной процедуры оценивается контактным угломдистиллированной воды.

Небольшая избыточная активация (излишняя энергия, переданная поверхности) меняет форму треугольных частей чипов с клеточными колониями (центральная часть рис 4.). Только прецизионная регулировка параметров делает возможной обработку без теплового повреждения.

Рис. 4
Необработанный чип (слева), детали поврежденного чипа (центр) и неповрежденный чип (справа)

В процессе щадящей обработки поверхностная энергия оставалась ниже максимальной активационной способности, контактный угол при этом снизился с 92 град. до 43 град. В процессе использовалась система PlasmaBrush® PB3 с соплом А250, скорость техпроцесса составляла 250 мм/с, рабочая дистанция 40 мм, в качестве рабочего газа использовался азот.


Обработка тонких пленок (фольга)

Из-за своей небольшой толщины тонкие пленки (фольга) особенно чувствительны к обработке плазмой. Несмотря на то, что обычно проблем с обработкой металлов не возникает благодаря их высокой теплопроводности, тонкие пленки должны обрабатываться особенно бережно, поскольку не имеют достаточной толщины для отвода тепла. Большинство металлов могут обрабатываться на небольших скоростях, порядка 30 мм/с, в то время как пленки должны обрабатываться на скоростях 500 мм/с и выше. Непрерывная подача из рулона в рулон является примером такого процесса, где фольга обрабатывается при очень высоких скоростях и взаимодействие плазмы с поверхностью составляет доли секунды.

Рис. 5
Обработка алюминиевой фольги при подаче из рулона в рулон

Достижение высокой активации в этих условиях является серьезной проблемой. Тем не менее, подходящая технологическая схема процесса позволяет это успешно реализовать. Как вариант — на рис 5. (справа) три плазменных генератора настроены на скорость обработки 12 м/с, чтобы покрыть всю ширину адгезионной поверхности фольги.


Осаждение расплава полиэтилена низкой плотности на алюминий

Нанесение покрытий с использованием плазмы более комплексный процесс, поскольку включает дополнительные узлы для транспортировки порошка. В проведенном эксперименте на алюминиевую подложку наносился полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). При осаждении расплавленных покрытий обеспечивается низкая вязкость, необходимая для формирования однородных слоев покрытий. В то же время, скорость процесса гораздо выше, чем при использовании традиционных методов и нет необходимости в удалении растворителей.

Внешняя система транспортирует порошок к выходу плазменного сопла. Порошок плавится непосредственно на поверхности и затем там же охлаждается. Производительность подачи порошка составляет до 7,19 г/мин. Плазма здесь выполняет две функции: во-первых, химическое сшивание поверхности повышается за счет вводимых в нее частиц; во-вторых, горячий расплав распространяется лучше из-за повышенной смачиваемости.

Рис. 6
Покрытие расплавом ПЭНП (слева) и генератор плазмы Plasmabrush^® PB3 c системой подачи порошка (справа)

Ключевой параметр в данном случае — скорость. Она должна быть достаточно низкой для обеспечения равномерного покрытия основы (подложки), но в то же время достаточно высокой, чтобы избежать сообщения излишней энергии обрабатываемой поверхности и только что сформированным слоям. В данном эксперименте была установлена скорость 210 мм/с, рабочая дистанция составляла 14 мм. Изделие вращалось со скоростью 14,5 об/мин. Процесс нанесения занял 6 минут.


Заключение

Даже при использовании не термической плазмы при высоких температурах, в промышленных применениях возможна обработка чувствительных к нагреву материалов за счёт подбора параметров обработки. В особенности — скорости обработки и расстояния до обрабатываемой поверхности. Более того, такая обработка модифицирует только поверхностный слой, в то время, как нижележащие слои остаются незатронутыми. Эти свойства делают обработку атмосферной плазмой эффективным и производительным методом очистки и активации поверхности, даже в случае работы с чувствительными к нагреву материалами.

Литература:
[1] K. Küpfmuller, W. Fathis und A. Reibiger, TheoretischeElektrotechnik: Eine
Einführung, Springer, 2013.
[2] H. Zohm, „Plasmaphysik,» LMU München, München, 2012/2013.
[3] R. A.Wolf, Atmospheric Pressure Plasma for Surface Modification, Hoboken and
Salem, USA: Wiley & Sons and Scrivener Publishing, 2013.

Плазма

плазмаСодержание

---

Что такое плазма.


   Словом «плазма» (от греч. «плазма» — «оформленное») в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови
(без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Ленгмюр
(1881—1957) и Леви Тонкс (1897—1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

   Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом,
писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать
в четвёртом состоянии».

   В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию)
температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С — в жидком, выше 100 °С
— в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются
и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только
из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё
приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма.
Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

   Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, —
всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть
Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

Как используют плазму.

   Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы,
и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах:
выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких
частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

   Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.)
на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

   Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жёстко
закреплённые в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных
«дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел.

   Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную
— до 100 млн. градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическая
дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000—10 000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием
плазмотрона возникла новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной
струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов.

   Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные
схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного
синтеза.

Управляемые термоядерные реакции.

   Считается, что запасов химического топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные
запасы ядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут
управляемые термоядерные реакции в плазме.

 

   В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D₂O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл
D₂O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не
существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами п изотоп лития:

---

n+⁷Li => ⁴He+T

---

   Ядро атома водорода не что иное, как протон р. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один
нейтрон, а в ядре трития — два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными
способами. Но вероятности таких реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выделяющейся
энергии — в 10—15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

---


D + D => T + p + 4 МэВ;
D + D => ³Не + n + 3,3 МэВ;
D + Т => ⁴Не + n + 17,6 МэВ.


---

   Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит
термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

   Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического
топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных
отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключён взрыв.

   Во время синтеза основная часть энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или
протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую
энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц — протонов — преобразуется в электричество непосредственно.

   В реакции синтеза ядра должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона,
отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z = 1), необходима
энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 10⁸ — 10⁹ К. При таких температурах
любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

   С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый
туннельный эффект(квантово-механическое явление, при котором частица, не обладающая достаточной энергией для
преодаления потенциального барьера сил отталкивания, всё же с отличной от нуля вероятностью преодалевает его). Вычислено,
что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий—тритий (DT)
равна приблизительно 4,5 • 10⁷ К, а для реакций дейтерий—дейтерий (DD) — около 4 • 10⁷
К. Естественно, предпочтительнее реакция DT. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными
волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

   Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для
осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см³ плазмы
содержалось 10¹⁹ частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных
реакций достигало бы порядка 10⁶ атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма
должна быть разрежённой (с концентрацией около 10¹⁵ частиц в 1 см³). Соударения частиц в этом случае происходят
реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для
осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания.
Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 10¹⁶ с/см³, а для реакции DT —
10¹⁴ с/см³. Следовательно, реакцию DT реализовать легче, чем DD.

   Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со
временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные
неустойчивости. Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез.

   Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальная КАмера с МАгнитными
Катушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная
имеет единственный виток — вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат. torus — «выпуклость»), с плазменным шнуром внутри.
Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны,
образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете — слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом
тепло можно использовать для получения электроэнергии.

   Несмотря на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода
энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый в настоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если она
будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 10⁹ Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы
и устройства инерциального удержания плазмы.

   Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака, противодействует
собственному полю плазменного шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе
(от лат. Stella — «звезда») плазме позволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее
шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитных катушек — довольно сложную форму.
Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

   Принципиально иным является метод инерциального удержания плазмы, основанный на инерции
реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным импульсом) разлетается не сразу. Ампулу,
где находится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон лазерными импульсами длительностью до 10^-10
с и суммарной мощностью порядка 10²⁰ Вт/см². Оболочка ампулы испаряется, расширяющиеся газы
и световое давление сжимают её содержимое почти в 50 тыс. раз. Давление в смеси возрастает до 1 млн. атм, а её
плотность — до 50—100 г/см³. При таких условиях начинается термоядерная реакция.

   Но и на этом пути имеется ряд технологических трудностей, пока не позволяющих превратить экспериментальные
лазерные установки в промышленные реакторы.

Что такое плазма?

Плазма — это газ, но это необычный вид газа. В обычном газе атомы или молекулы электрически нейтральны, но в плазме по крайней мере некоторые из этих частиц либо потеряли, либо приобрели электрон, так что плазма состоит из свободных электронов и положительно или отрицательно заряженных атомов и молекул, известных как ионы. . Прежде чем нормальный газ сможет превратиться в плазму, необходимо достичь высокой температуры. Самая низкая температура, при которой обычно можно увидеть плазму, составляет несколько десятков тысяч градусов, но многие плазмы намного горячее. Плазма может достигать температуры в сотни тысяч и даже миллионы градусов. Относительно холодная плазма обычно имеет характерный светящийся цвет, который зависит от газа, в котором она образуется.

Изображение слева представляет собой водородную плазму, удерживаемую магнитным полем в устройстве START, ранее эксплуатировавшемся UKAEA Fusion в их лаборатории Culham около Оксфорда, Англия. Это довольно типичная лабораторная плазма. Его диаметр около 1 метра, а температура около 100 000 K. Самая горячая плазма настолько горяча, что в ней могут происходить ядерные реакции. Определенные типы атомов с легкими ядрами, такие как особые тяжелые изотопы водорода, в этих условиях можно заставить объединиться в более тяжелые ядра. Высвобождение энергии, когда это происходит, является значительным и может быть важным источником энергии, например, для производства электроэнергии. Очень сложно сделать плазму достаточно горячей и прочной, чтобы произвести значительное количество термоядерной энергии, но прогресс, достигнутый такими экспериментами, как JET, впечатляет.

Это внутренняя часть Совместного европейского тора (JET), расположенного недалеко от Оксфорда, Англия, и один из крупнейших в мире экспериментов по физике плазмы. JET продемонстрировал, что искусственный ядерный синтез может быть произведен в достаточно горячей плазме. Обратите внимание на размер мужчины внизу справа!

 

Существует множество других применений плазмы, имеющих огромное экономическое значение. Например, плазма широко используется в производстве полупроводниковых устройств. Дешевые современные микросхемы не могут быть изготовлены без плазменного производства. Плазма также используется для нанесения высокоэффективных покрытий в инженерных и медицинских целях.

Это плазма в газообразном аргоне при давлении около одной тысячной атмосферы, с температурой электронов плазмы около тридцати тысяч градусов. Подобная плазма используется для обработки полупроводниковых материалов. Доли, которые можно увидеть здесь, представляют собой нежелательную нестабильность, которая изучается в NCPST.

 

NCPST активно работает в самых разных областях исследований, от фундаментальных исследований плазмы до разработки термоядерных технологий и производства с использованием плазмы.

температура — Насколько горячей может быть плазма?

Самая высокая зарегистрированная температура плазмы в , а не в раз горячее ядерных реакций. Существует целый ряд явлений, происходящих при высоких температурах, которые включают ядерные реакции и выходят за их пределы.

Когда температура становится очень высокой, имеет смысл начать думать с точки зрения задействованных энергий, а не придерживаться шкалы Кельвина (или Фаренгейта, тьфу). При термодинамическом равновесии средняя энергия «степени свободы» с температурой $T$ равна $U=\frac12 kT$. Например, одноатомный идеальный газ имеет среднюю энергию на одну частицу $\frac32 kT$ для трансляций в трех измерениях. Если у вас есть система, в которой разрешенные энергии входят в сгустки, как вращательные и колебательные состояния в молекулах, средняя энергия на моду равна равно нулю , а температура $kT$ много меньше энергии $E$ первого возбужденного состояния. Это означает, что большинство систем имеют большую теплоемкость, когда они горячие, чем когда они холодные, что затрудняет достижение высоких температур.

• Для комнатной температуры $kT \примерно 25$ миллиэВ; это типичная энергия для фонона в твердом теле.

• При $kT \приблизительно 1$ эВ при типичном столкновении атом-атом может быть достаточно энергии, чтобы освободить электрон. Это минимальная температура, необходимая для поддержания плотной ионизированной плазмы.2$, где $Z \lesssim 100$ — число протонов.)

• При $kT \приблизительно 0,1$ МэВ у вас появляется достаточно энергии для внутреннего возбуждения ядер.