Plazma v technologiích
Mezi moderními strojírenskými technologiemi se stále častěji prosazují metody využívající různé formy plazmatu. Plazma je plynné prostředí skládající se z poměrně volných částic, z nichž některé jsou nabité : elektrony, kladné nebo záporné ionty, bez náboje jsou fotony, excitované atomy, disociované molekuly.
Plazma v technologiích PŘÍKLADY APLIKACÍ PLAZMOVÝCH METOD V TECHNOLOGICKÝCH PROCESECH Povlakování plechů povlaky proti korozi, dekoračními povlaky apod. Povlakovaný plech prochází nad zdrojem kovových par, které na něm kondenzují. Kov je vypařován dopadem ionizovaných atomů pracovního plynu. Zdrojem iontů je doutnavý výboj v tzv. duté katodě.
Plazma v technologiích PET láhve Úprava vnitřních a vnějších povrchů PET lahví mikrovlnným doutnavým výbojem za účelem vytvoření bariérového povlaku, který podstatně omezuje únik kyslíku a oxidu uhličitého z objemu láhve.
Plazma v technologiích DLC povlaky na funkčních plochách rozvodů v motorech DLC (diamantu podobné povlaky) uhlíkové povlaky vynikají vysokou odolností proti otěru a nízkým třením. Deponují se metodami PE CVD (plazmově podporovaná chemická depozice).
Plazma v technologiích
Plazma v technologiích Technologie ve strojírenství a v příbuzných oborech v nichž se plazma uplatňuje : - svařování (obloukové nebo v proudu horkého plazmatu), - dělení materiálu (plazmové řezání), - depozice tenkých kovových nebo keramických povlaků, (otěru vzdorné povlaky na nástroje a strojní součásti, tepelné bariéry atd.), - modifikace povrchu (plazmová nitridace, karbonizace atd.) - plazmový nástřik (vytváření tlustých povlaků), - plazmové obrábění (keramické a skleněné materiály).
Základy fyziky plazmatu PLAZMA – 4. SKUPENSTVÍ LÁTKY prostředí skládající se z poměrně volných částic, z nichž některé jsou nabité (ionizované) · elektrony, +ionty, –ionty (málo), fotony, excitované atomy, disociované molekuly · směs těchto částic je pak rozprostřená v plynu z neutrálních částic · jako celek je plazma elektricky neutrální · částečně ionizované plazma – ne všechny atomy jsou ionizovány · úplně ionizované plazma – všechny částice jsou ionizovány, některé i vícenásobně. ·
Plazma je elektricky vodivé, má velkou tepelnou kapacitu a velkou tepelnou vodivost. Podléhá účinkům elektrického i magnetického pole. Teplota částečně ionizovaného plazmatu při vyšších tlacích je 5 000 – 15 000 K, Vyjádřeno ve střední energii částic: 0,5 – 10 eV (1 eV = 11 600 K).
Základy fyziky plazmatu Jako přírodní jev existuje plasma v několika formách: - oheň, plamen - blesk – trvání několik mikrosekund, kulový blesk i několik sekund - vzniká při průletu meteoritu skrz atmosféru - různé vrstvy ionosféry – ionizované účinkem slunce - polární záře – bombardování ionosféry rychlými kosmickými částicemi ve spojení se zemským magnetickým polem - komety s plazmovým chvostem - Slunce je vlastně také plazmový útvar
Základy fyziky plazmatu
Základy fyziky plazmatu
Základy fyziky plazmatu Prakticky ve všech případech aplikace plazmatu ve strojírenství se plazma vytváří elektrickým výbojem, tj. průchodem elektrického proudu přes částečně ionizovaný plyn. Rozlišují se elektrické výboje nesamostatné a samostatné. Nesamostatné výboje potřebují vnější zdroj ionizace plynu : - ionizující záření z radioaktivní látky (typ I), v technologiích se nepoužívá - zdroj elektronů ze žhavené katody, fotoemise apod.(typ II), v některých případech se používá.
Základy fyziky plazmatu Samostatné výboje V procesu ionizace převažují nárazy elektronů do neutrálních atomů nebo molekul z jejichž elektronového obalu se odtrhuje elektron (nebo elektrony). Elektrony se urychlují působením elektrického pole mezi elektrodami. Aby mohlo k ionizaci dojít, musí mít dostatečnou energii (ionizační energii). Předpokladem toho je dostatečně silné pole a dostatečně dlouhá volná dráha elektronů mezi srážkami – tj. dostatečně nízký tlak. Dostatečně silné pole vyvolá výboj za atmosférického tlaku nebo i vyššího (např. jiskrový výboj mezi elektrodami zapalovací svíčky v motorech). Plazmové technologie se ale obvykle realizují za sníženého tlaku a výboj hoří i při slabších elektrických polích, tj. při nižším napětí na elektrodách. Výboj lze vyvolat i ve střídavých (radiofrekvenčních) polích.
Základy fyziky plazmatu Nosiči náboje ve výboji jsou elektrony a kladně nebo záporně nabité ionty Kladné ionty vznikají odtržením elektronu z vnější slupky atomového obalu. K tomu je třeba energie Wi = ionizační energie, řádově jednotky až nízké desítky eV (1 eV = 1,6.10-19 J). Záporné ionty vznikají přichycením elektronu k částici – méně pravděpodobný jev. Častěji se vyskytuje u O2, SF6 aj. Kladné ionty a záporné nosiče se navzájem přitahují a předávají si náboj = rekombinují. Pravděpodobnost rekombinace je úměrná koncentraci N+ a N- iontů : kde ρ je činitel rekombinace (pro 6 3 1 dN dN vzduch 1,2 .10 cm .s ). N N dt dt
Základy fyziky plazmatu Vytváření nosičů náboje -
Ionizace nárazem elektronu, iontu nebo neutrálu do neutrálního atomu nebo molekuly. Podmínkou je dostatečná kinetická energie narážející částice : mv 2
Wk
-
2
Wi
Postupná ionizace – postupné srážky s částicemi s příliš nízkou energií, které vedou k akumulaci dostatečné energie a ionizaci Fotoionizace jako výsledek interakce neutrální částice s fotonem o frekvenci f. Podmínka ionizace :
W f h f Wi Tepelná ionizace v plynech za vysoké teploty – srážky s energetickými částicemi Povrchová ionizace jako důsledek ozařování povrchu pevné látky krátkovlnným zářením (fotoelektrický jev), vytrhávání iontů silným elektrickým polem, bombardování povrchu ionty
Základy fyziky plazmatu Závislost typu výboje na napětí na elektrodách Uvažujme válcovou výbojovou trubici s elektrodami na obou koncích, elektrody jsou připojeny ke zdroji ss napětí. Při postupném zvyšování napětí roste zpočátku proud pomalu, úměrně napětí. Proud vedou jen přirozeně vzniklé ionty (tepelné srážky). S rostoucím napětím dochází častěji k ionizaci nárazem, proud roste. Vznikající kladné ionty bombardují povrch katody a tím dochází k sekundární emisi elektronů, které se účastní jak na vedení proudu, tak na ionizaci nárazem. Dále dochází k lavinovité ionizaci, výboj se stává samostatným a proud prudce roste. Tento typ výboje je normální doutnavý výboj. Dlouhý sloupec plazmatu v trubici svítí jako důsledek deexcitace atomů a molekul excitovaných nárazy jiných částic.
Základy fyziky plazmatu Se zvyšováním napětí dál roste proud, povrch katody je rovnoměrně bombardován, proud sekundárních elektronů narůstá a hustota proudu ve výboji nezávisí na napětí. Tento typ výboje je anomální doutnavý výboj a v tomto režimu pracují plazmové depoziční aparatury. Další zvyšování napětí přináší kvalitativní změnu: teplota katody roste, roste nejen sekundární emise elektronů z katody, ale i sekundární emise iontů a v krajním případě se katoda taví a atomy jejího materiálu se ionizují a přispívají k rychlému nárůstu proudu. Výboj přechází do režimu obloukového výboje. Svařování elektrickým obloukem se realizuje v tomto režimu. Dále se obloukový výboj využívá v nízkonapěťovém režimu, kdy plocha anody (např. stěna komory) je podstatně větší než plocha katody. Na ní se výboj soustřeďuje do tzv. katodové skvrny pohybující se po jejím povrchu a charakterizované tak vysokou hustotou proudu, že dochází k lokálnímu vypařování materiálu katody.
Základy fyziky plazmatu Rozložení potenciálu a elektrického pole ve výboji je silně ovlivněno tím, že hmotnosti elektronů jsou řádově menší než hmotnosti iontů. Např. pro ionizovanou vodíkovou molekulu platí
m( H 2 ) 1870 m (e ) Obě částice nesou stejně velký (opačný) náboj a proto na ně v elektrickém poli působí stejně velké (opačně namířené) síly. Jejich zrychlení a tím i za stejný čas dosažená rychlost jsou v opačném poměru jejich hmotností. Pohyblivost iontů je o dva řády menší než pohyblivost elektronů. Rozložení náboje podél osy výbojové trubice není lineární, ale odpovídá rozdílným pohyblivostem těchto částic. Vzhled výboje a odpovídající průběh potenciálu je na následujícím slidu.
Základy fyziky plazmatu
Základy fyziky plazmatu Pro řadu plazmových technologií je důležitá oblast katodového spádu potenciálu d E grad Připomeneme elektrické pole : .
dt
V této oblasti je soustředěna převážná část napětí, je tu silné elektrické pole urychlující kladné ionty vznikající v oblasti negativního světla směrem ke katodě. Oblast je temná, protože hustota elektronů je nízká a mají příliš velkou energii, aby excitovaly atomy s následující deexcitací provázenou emisí světla. Urychlené ionty dopadající na katodu způsobují intenzivní emisi sekundárních elektronů a především vyrážejí z katody atomy nebo ionty materiálu katody. Tento jev se označuje jako katodové odprašování (sputtering) a využívá se při jedné z metod plazmové PVD depozice - magnetronovém naprašování.
