Плазменная технология

Вступление.

Экономику любой страны развивают технологии. В них сосредоточены лучшие идеи и технические решения. Они позволяют получать солидную прибыль. Наукоёмкие высокие технологии это особая гордость человечества. Они впитали все достижения физики, хи-мии, биологии, информатики и робототехники.

Плазменные технологии занимают особое место среди других. Прежде всего, потому, что многие технологи (лазерные, ионно — и электронно-лучевые) родились на основе зна-ний физики плазмы. Правильней сказать, это результат развития общей физики. Физика плазмы связана с дерзкой мечтой управляемым термоядерным синтезом. Решение этой и других задач даёт новые знания как основу для многих оригинальных технологических ре-шений.

Плазма наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Холодные туманности и межзвездная среда также находятся в плазменном состоянии. Они представля-ют собой низкотемпературную плазму, ионизация которой происходит, главным образом, путем фотоионизации под действием ультрафиолетового излучения звезд. В околоземном пространстве слабоионизованная плазма находится в радиационных поясах и ионосфере Земли. С процессами, происходящими в этой плазме, связаны такие явления, как магнитные бури, нарушения дальней радиосвязи и полярные сияния.

Низкотемпературная газоразрядная плазма, образующаяся при тлеющем, искровом и дуговом разрядах в газах, широко используется в различных источниках света, в газовых ла-зерах, для сварки, резки, плавки и других видов обработки металлов.

Что такое плазма.

Плазма это частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтраль-ных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенно-стью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности поло-жительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т. е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «при-липания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первона-чально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т. е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (на-пример, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно дви-жущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определе-ний плазмы гласит: плазма это проводящий газ. Нагревание вещества не является единст-венным способом получения плазмы.

Плазма четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во мно-гих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский фи-зик В. Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором ма-терия может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии огню и соответствует, очевидно, плазма.

Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюром и Тонксом в 1923 при описании явлений в га-зовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое рас-пространение.

Получение плазмы.

Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы в ионы. Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В при-роде и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространен-ные из них:

Ионизация тепловой энергией

Ионизация электрическим разрядом.

Ионизация давлением.

Ионизация лазерным излучением.

Способ создания плазмы путем обычного нагрева вещества не самый распростра-ненный. Чтобы получить термическим путем полную ионизацию плазмы большинства газов, нужно нагреть их до температур в десятки и даже сотни тысяч градусов. Только в парах ще-лочных металлов (таких, например, как калий, натрий или цезий) электрическую проводи-мость газа можно заметить уже при 20 003 000° С. Это связано с тем, что в атомах однова-лентных щелочных металлов электрон внешней оболочки гораздо слабее связан с ядром, чем в атомах других элементов периодической системы элементов, то есть обладает более низкой энергией ионизации. В таких газах при указанных выше температурах число частиц, энергия которых выше порога ионизации, оказывается достаточным для создания слабоионизован-ной плазмы.

Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике яв-ляется использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуют-ся заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле, то есть создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, на-пример нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облу-чением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект). Такой разряд, соз-даваемый внешними источниками, называется несамостоятельным.

К самостоятельным разрядам относятся искровой, дуговой и тлеющий разряды, кото-рые принципиально отличаются друг от друга по способам образования электронов у катода или в межэлектродном промежутке. Искровой разряд обычно оказывается прерывистым да-же при постоянном напряжении на электродах. При его развитии возникают тонкие искро-вые каналы (стримеры), пронизывающие разрядный промежуток между электродами и за-полненные плазмой. Пример одного из наиболее мощных искровых разрядов являет собой молния.

В обычном дуговом разряде, который реализуется в довольно плотном газе и при дос-таточно высоком напряжении на электродах, термоэмиссия с катода возникает чаще всего оттго, что катод разогревается падающими на него газовыми ионами. Дуговой разряд, воз-никающий в воздухе между двумя накаленными угольными стержнями, к которым было подведено соответствующее электрическое напряжение, впервые наблюдал в начале 19 в. русский ученый В. В. Петров. Ярко светящийся канал разряда принимает форму дуги благо-даря действию архимедовых сил на сильно нагретый газ. Дуговой разряд возможен и между тугоплавкими металлическими электродами, с этим связаны многочисленные практические применения плазмы дугового разряда в мощных источниках света, в электродуговых печах для плавки высококачественных сталей, при электросварке металлов, а также в генераторах непрерывной плазменной струи так называемых плазмотронах. Температура плазменной струи может достигать при этом 700 010 000 К.