Низкотемпературная плазма. Основные понятия, свойства, применение.
Плазмой называют квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, концентрация которых достаточна для того, чтобы создаваемый ими пространственный заряд ограничивал их движение.
Для выполнения этого условия нужно, чтобы характерный размер плазмы L0 был много больше характерного размера экранирования (радиус Дебая) rD – расстояния, на котором нарушается квазинейтральность за счет теплового движения частиц. Если при хаотическом движении с тепловыми скоростями происходит разделение зарядов на расстояние, большее чем rD, то квазинейтральность среды восстанавливается под действием электрических полей пространственного заряда.
Термин «плазма квазинейтральна» означает, что число некомпенсированных зарядов в объеме L03 много меньше общего числа зарядов. |
В зависимости от параметров плазмы используют различные методы ее описания.
Различают слабоионизованную, сильноионизованную и полностью ионизованную плазму по степени ионизации, определяемой относительной концентрацией электронов ne ⁄ n0, где n0 – число тяжелых частиц – атомов и ионов. |
| Плазма, применяемая в технологических процессах, является в основном слабоионизованной плазмой. В слабоионизованной плазме химическая кинетика, перенос, столкновения и другие элементарные процессы определяются индивидуальными свойствами нейтральных атомов и молекул. Таким образом различают плазмообразующие среды, например, инертные газы, водород, азот, кислород, воздух, водяной пар и др. |
При использовании в качестве плазмообразующей среды молекулярных газов энергия от внешнего источника сначала передается электронной компоненте плазмы, затем электронный газ передает полученную энергию тяжелым частицам в процессе нагрева, возбуждения внутренних степеней свободы атомов и молекул, ионизации, диссоциации с образованием большого числа реакционно-способных частиц. Именно эти состояния плазмы в совокупности с термодинамическими, оптическими и транспортными свойствами определяют ее химическую и каталитическую активность, то есть способность производить целенаправленные химические изменения в исходной газовой среде или в веществе, помещенном в плазму, при осуществлении различных химических превращений в технологических процессах. При этом роль электронной компоненты плазмы является определяющей.
Примечание. Процессы переноса массы, заряда, импульса и энергии в плазме, вызванные неоднородностью ее параметров, т.е. наличием пространственных градиентов плотности, скорости и температуры, а также присутствием внешних полей (например, электрического и магнитного), объединяются под общим названием явления переноса (транспорта). |
Получать плазму с температурой 7000-30000 К, осуществлять ее стабилизацию в пространстве (реально используемая плазма всегда имеет конечные размеры) и практически использовать в любых газовых средах позволяют устройства, называемые генераторами низкотемпературной плазмы или плазмотронами.
По типу электрического разряда, частоте питающего тока и типу источника питания плазмотроны разделяются на четыре большие группы: дуговые плазмотроны (постоянного или переменного тока), высокочастотные плазмотроны (индукционные ВЧИ или емкостные ВЧЕ), сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны и гибридные плазмотроны.
|
Максимальные значения температуры плазмы в различных плазмообразующих газах различны, но близки по величине, и зависят от мощности на единицу объема плазменного образования.
Технологии применения низкотемпературной плазмы основаны на взаимодействии плазмы с конденсированным веществом (твердым, жидким или дисперсным), газом и электромагнитным полем. Приложения низкотемпературной плазмы представляют собой в настоящее время труднообозримую область техники. Отметим только те из них, которые прямо или косвенно связаны с деятельностью компании «ПЛАЗАРИУМ». Это различные применения низкотемпературной плазмы в качестве рабочего тела в системах преобразования тепловой энергии в электрическую; создание устройств, генераторов плазмы, в которых электрическая дуга используется для создания плазменных струй; применение низкотемпературной плазмы в качестве активной среды; плазменноэнергетические технологии обработки топлив; применение плазмы для получения дисперсных материалов, обработки порошков и получения покрытий, модификации поверхностей полимерных материалов; использование плазмы для решения различных задач прикладной химии (здесь часто используют термин «плазмохимия»); применение низкотемпературной плазмы в экологии.
|
| Данный раздел предназначен для неспециалистов, желающих лучше понять роль плазменных технологий в современной технике и их развитие в краткосрочной перспективе. Для желающих общаться с первоисточниками информации по данному разделу: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводной том 1-5. – Издательство «Наука», 2000. |
