2. Газотермічні методи напилювання покриттів лекція 7 Плазма. Процеси, що відбуваються в плазмі

7.1. Плазма та її основні характеристики.

Плазма в перекладі з грецької – plasma – виліплення, оформлення. Плазмою називають іонізований квазінейтральний газ.

Термін “плазма” введений в 1929 р. Ленглюром.

Якщо газ, молекули якого складаються із кількох атомів, нагріти (наприклад в електричній дузі), до температури >1000 ^оС, то відбудеться процес руйнування молекулярних зв`язків і газ переходитиме в атомний стан.

Кількість молекул які розпалися зростатиме зі збільшенням температури і тиску . Наприклад , для азоту можна записати:

,

де – енергія дисоціації , яку виражають еВ

Ступінь дисоціації визначається коефіцієнтом , який являє собою відношення числа дисоційованих молекул до загального числа молекул в одиниці об`єму.

, (7.1)

де – число дисоційованих молекул , - число всіх молекул в одиниці об`єму.

Значення енергій дисоціації для найбільш використовуваних газів наведені в табл. 7.1

Таблиця 7.1

Газ	Енергія дисоціації, еВ	Енергія дисоціації, Дж.
H2 N2 O2 CO NO OH CO2 H2O	4.4777 9.76 5.08 11.11 6.48 4.37 6.56 12.59	7.163 15.616 8.128 17.776 10.368 6.992 26.496 20.144

При подальшому підвищенні дисоційованого газу від атомів відриваються електрони і здійснюється процес іонізації. При температурах Т>10000 ^оК такі гази, як кисень і азот, є досить іонізованими. Так, для азоту:

де – енергія іонізації одного атома, еВ.

Ступінь іонізації характеризується коефіцієнтом , який є відношенням кількості іонізованих атомів (сума пар частинок різного знака) до загальної кількості атомів в одиниці об`єму:

, (7.2)

де – число іонізованих атомів; – кількість всіх атомів в одиниці об`єму.

Для газорозрядної плазми високого тиску характерна концентрація електронів , що відповідає ступені іонізації .

Повністю іонізована плазма може бути одержана при умові , що

, (7.3)

де k – постійна Больцмана , Т – абсолютна температура , ; – потенціал іонізації газу .

Потенціалом іонізації називається різниця потенціалів, яку має пройти електрон у прискорюючому електричному полі, щоб його енергія досягла значення роботи іонізації , тобто , де е – заряд електрона.

Для водню температура повної іонізації становить .

Енергія іонізації залежить від глибини процесу, тобто від кількості відірваних електронів. Тому розрізняють первинну, вторинну , третинну і тощо іонізацію. Чим вища ступінь іонізації, тим більша робота (табл. 7.2)

Таблиця 7.2

Енергія іонізації, еВ
Газ	Ступені іонізації
	1	2	3	4	5	6
Ar He H Kr N O Xe	15.777 24.58 13.595 13.99 14.54 13.614 12.13	27.62 54.4 ------ 24.56 29.6 35.146 21.2	40.9 ------ ------ 36.9 47.426 54.934 -----	59.79 ------- ------- ------- 77.45 77.394 -------	75 ----- ----- ----- 97.963 113.873 -----	91.3 ----- ----- ----- 551.92 138.08 -----

При іонізації і дисоціації водню та азоту, а також при іонізації гелію та аргону відбувається поглинання енергії. А при охолодженні плазми протікає зворотний процес рекомбінації і деіонізації газу.

Якщо у першому випадку енергія поглиналась, то у другому вона буде виділятись. При цьому двохатомні гази виділяють енергії більше, ніж одноатомні.. Чим менша площа, на якій виділяється енергія, тим більша її концентрація. У ідеальному випадку ,

де – поперечний розріз струменю плазми в районі виходу її з плазмотрона, – в області дуги на відстані від плазмотрона.

Рис. 7.1 Процеси, що відбуваються в плазмі: – затрачена енергія на одиницю площі ; – енергія, що виділяється на одиницю площі

7.2. Види плазми

Залежно від температури плазма буває низькотемпературна і високотемпературна . Остання складається із дейтерію і тритію, якщо плазмоутворюючим газом є водень. Така плазма вивчається з метою одержання керованої ядерної реакції .

Залежно від співвідношення середньої відстані між частинками, амплітуди кулонівського розсіювання частинок і дебройлівської довжини хвилі розрізняють плазму класичну і квантову, або ідеальну і неідеальну.

У розглянутих діапазонах тиску і діапазонах температур плазма може дещо відрізнятися від класичної.

Критерієм збереження ідеальності реального одноатомного нейтрального газу є умова:

де – середня енергія взаємодії атомів; k – постійна Больцмана , Т – абсолютна температура °К.

У фізиці температуру плазми часто виражають в енергетичних одиницях, наприклад в електронвольтах, яка зв’язана з температурою Кельвіна відношенням

, (7.4)

де е - елементарний заряд.

Таким чином, один електрон-вольт відповідає температурі в ­°К

Для ідеальності повністю іонізованого газу, що складається із заряджених частинок різних знаків, які взаємодіють між собою за законом Кулона, повинна виконуватись умова:

, (7.5)

де n – число частинок в одиниці об`єму; z – зарядне число.

Тобто ідеальність плазми виконується тоді, коли частинки знаходяться одна від одної на великих відстанях і їхня кінетична енергія значно більше енергії взаємодії. Умова розрідженості плазми

, (7.6)

де – середня потенціальна енергія кулонівської взаємодії частинок зі зарядом, що знаходиться на середній відстані ; кТ – середня енергія теплового руху частинок.

При підвищених тисках і відносно низькій температурі починає позначатися неідеальність плазми, тобто енергія взаємодії частинок становиться близькою за значенням з їхньою кінетичною енергією.

До класичної плазми можна застосувати статистику: постійна Больцмана і рух газу в ній класичний.

Для спрощення розрахунків плазмових процесів використовують прості моделі стану.

Найпростішою є модель повної динамічної рівноваги, яка характеризується температурою і тиском.

У плазмі постійно відбуваються два протилежні процеси: іонізація і деіонізація, тобто відновлення іонів до нейтральних атомів.

Іонізація відбувається за декілька етапів. Спочатку атом збуджується. Електрон в ньому переходить на більш високий енергетичний рівень, і якщо енергія збудження перевищує енергію граничного рівня, він покидає атом. При деіонізації процес відбувається в зворотному напрямку: електрон захоплюється атомом на найвищій енергетичний рівень, а потім випромінює енергію і спускається на стабільний рівень. Але існує і інша модель деіонізації, коли надлишок енергії електрона забирає інший електрон або іон.

Джерелом енергії електронів в електричній дузі є електричне поле. Величина енергії , де – електропровідність плазми; а Е – напруженість електричного поля. Для існування плазми повинен виконуватись баланс енергії.

, (7.7)

де теплота - пружних; а - непружних зіткнень; - втрати теплоти за рахунок дифузії частинок плазми; - втрати тепла за рахунок теплопровідності, враховуючи природні втрати енергії. ККД плазми, залежно від газу і режимів, коливається від 40 до 80 %. Найбільший ККД у разі використовування в якості плазмоутворюючого газу водню. Він у цьому випадку становить 80 %.

У плазмі, крім поняття середньої температури плазми, відрізняють температуру електронів та температуру важких частинок (атомів та іонів). При струмах менше ніж 10 А температура електронів в 7 – 10 разів вище ніж важких частинок газу. При струмах вище 10 А температура електронів та важких частинок становиться однаковою навіть при дуже великих струмах.