Plazmové metody
Elektrické výboje v plynech
Výboje v plynech Plazmové metody aplikované v technice velkou většinou používají jako zdroje plazmatu elektrické výboje v plynech. Výboje rozdělujeme podle doby trvání na - ustálené (např. doutnavý výboj, obloukový výboj) - přechodné (např. jiskrový výboj) Ustálené výboje dělíme na samostatné a nesamostatné podle podmínek vedoucích k vytváření výbojové dráhy a plazmatu výboje. Nesamostatné výboje potřebují ke svému udržení jednak zdroj napětí, jednak zdroj nosičů náboje – např. žhavené vlákno, zdroj ionizačního záření. Samostatné výboje potřebují jen zdroj energie (napětí, proudu), po počátečním impulzu hoří samostatně.
Výboje v plynech Parametry výbojů jsou : -
napětí na elektrodách, proud tekoucí výbojovou drahou, tlak ve výbojové dráze, tvar a materiál elektrod, chemické složení plazmatu výboje a další. Tyto parametry jsou navzájem závislé a procesy probíhající ve výboji jsou často velmi složité. Každý výboj probíhá v definovaném prostředí (plyny, páry), mezi obvykle dvěmi elektrodami: anodou (kladná) a katodou (záporná).
Výboje v plynech Z technického hlediska můžeme přijmout další dělení výbojů: • výboje při stejnosměrném proudu (ss výboj, dc discharge) • výboje při střídavém proudu (průmyslové • frekvence 50 Hz) • vysokofrekvenční výboje (vf, rf výboje) • výboje při nízkém tlaku (doutnavý • výboje při vysokém tlaku • pulzní výboje • … atd.
Výboje v plynech ss výboj kolem stolku v pracovní komoře :
Výboje v plynech Zdroj plazmatu na principu duté katody :
Výboje v plynech V technické praxi se setkáváme s řadou variant geometrického uspořádání elektrod. Pro jednoduchost si pro další popis zvolíme variantu axiálního uspořádání dvou rovinných elektrod. Zdroj proměnného napětí musí být stabilizován a obvykle se konstruuje jako zdroj konstantního proudu.
Výboje v plynech Charakter výboje se mění se změnou napětí na elektrodách, proudu ve výboji a dále s mírou účasti materiálu elektrod a případně i stěn trubice na probíhajících procesech. Jestliže postupně zvyšujeme napětí na elektrodách výbojové trubice, proud je zpočátku velmi slabý – náboj přenášejí jen elektrony a ionty vzniklé ionizací z vnějšího zdroje (přirozené radioaktivní pozadí, kosmické záření, fotoefekt apod.). Nárůst tohoto proudu se zastaví v nasyceném stavu. Při dalším nárůstu napětí ovlivňuje charakter výboje tlak plynu, přesněji střední volná dráha vznikajících iontů a elektronů – voltampérová charakteristika výboje se začíná komplikovat:
Výboje v plynech
Výboje v plynech Při proudech 10-10 ÷10-5 A jsou kinetické energie elektronů malé a srážky nejsou doprovázeny emisí viditelného záření. Tyto výboje se projevují šuměním, syčením a prskáním a nazýváme je temným Townsendovým výbojem. V objemu výboje se v elektrickém poli urychlují elektrony (vliv iontů je zanedbatelný – nízká pohyblivost) a při dostatečně dlouhé střední volné dráze nabývají mezi srážkami energie přesahující ionizační energii Wi – dochází k ionizaci nárazem a k lavinovitému nárůstu ionizace :
Výboje v plynech Koronový výboj se vytváří zejména v silném a silně nehomogenním elektrickém poli, hoří v okolí hrotů a vodičů vysokého napětí. Ionizační procesy probíhají v malém objemu (tzv.koronálním objemu). Ve větší vzdálenosti od centra korony má výboj charakter temné oblasti a projevuje se pouze prskáním a syčením. Charakteristické pro tuto formu výboje jsou krátkodobě svítící rozvětvené kanálky. Zápalné napětí korony závisí na špičatosti ostří. Korona se vytváří při stejnosměrném napětí na elektrodách, ale může hořet i při vysokofrekvenčním výboji. Při koroně dochází k rozkladu plynů a generaci ozónu. Ztráty na vedení vysokého napětí způsobené koronálním vyzařováním jsou např. u 200 kV vedení při slunečním počasí 0.1 kW/km a ve vlhku 0.7 kW/km. Koronového výboje se používá k ovlivnění plazmochemických reakcí, rozkladu SO2 a SO3, bifenylů a k čištění vody.
Výboje v plynech Koronový výboj
Výboje v plynech Další zvyšování proudu a napětí vede k přechodu režimu výboje do doutnavého výboje. Později se tomuto výboji věnujeme podrobněji. Nyní jen uvedeme, že doutnavý výboj se může realizovat ve dvou režimech. Při normálním výboji je proudová hustota nízká a nezávisí na proudu. Při růstu proudu se plocha využité katody rozšiřuje. Při anomálním výboji roste proudová hustota s proudem a dochází k zahřátí katody. Všimněte si, že počínaje korónovým výbojem se ve voltampérové charakteristice objevuje oblast se záporným odporem. To je důvod, proč zdroj energie musí mít stabilizovaný proud, nikoli napětí. Kdyby tomu tak nebylo, hrozil by lavinovitý nárůst proudu a destrukce zařízení. Např. u zářivek mají roli stabilizátoru proudu tlumivky.
Výboje v plynech Obloukový výboj se od doutnavého výboje liší vysokou proudovou hustotou, nižším provozním napětím (desítky voltů) a rozžhavenou katodou, kdy dochází k termoemisi elektronů. Všechny elementární procesy probíhají intenzivněji při podstatně vyšších energiích než u doutnavého výboje. Charakteristické je soustředění proudu na katodě do malé plochy katodové skvrny. Rozžhavená katodová skvrna nemá stálou polohu a putuje po povrchu katody. Anodový kráter je silným zdrojem emitujících iontů a z tohoto důvodu při výboji anoda ubývá. Oblouk má zajímavou vlastnost, že při rostoucím proudu roste teplota a klesá odpor v důsledku vyšší vodivosti plazmatu. Voltamperová charakteristika má klesající průběh. Do obvodu oblouku se proto zařazuje vnější stabilizační proměnný odpor.
Výboje v plynech Další nárůst proudu přináší kvalitativní změnu – jiskrový výboj. Jiskra v porovnání s doutnavým výbojem přenáší velký proud kA ÷MA menším průřezem a od oblouku se liší krátkým časem trvání 10-7 ÷10-3 s. Projevuje se v široké škále forem umělých, jako jiskry praskající při manipulaci s umělými tkaninami po silné zdroje rentgenového záření a forem přirozených jako koróna, blesk, sluneční erupce a jety jader galaxií a quasarů. Jiskru formují rychlé, dynamické, intenzívní a nestacionární energetické přeměny a provázejí ji intenzívní světelné a akustické projevy. Většinou probíhá při atmosférickém tlaku, ale realizuje se i ve vakuu (vakuová jiskra) a při vysokých tlacích. Vývoj jiskry lze rozdělit do několika výrazných vývojových fází: lavina, strimer, (lider), zpětná vlna, jiskrový kanál a rozpad. Průboj při atmosférickém tlaku vyžaduje elektrické pole o intenzitě alespoň 106 V.m-1.
Výboje v plynech Jiskrový kanál má vysokou vodivost a po propojení obou elektrod se snižuje napětí mezi elektrodami na 10 ÷100 V. Tomu odpovídá strmě klesající poslední část V-A charakteristiky. Je-li proudový zdroj dostatečně silný a dobře stabilizovaný, výboj se ustálí v režimu obloukového výboje. Obloukové svařování představuje aplikaci obloukového výboje. Jako příklad uvedeme svařování v argonu jako v ochranném plynu s netavící se wolframovou elektrodou. Elektroda je katoda, svařovaný materiál je zapojen jako anoda.Posuďme příslušné jevy z hlediska fyziky plazmatu:
Výboje v plynech Na katodě se vytvoří katodová skvrna (2) a na základním materiálu (12) anodová skvrna (11). Při hoření elektrického oblouku v ochranné atmosféře argonu jsou emitovány tzv. primární elektrony (4) z katodové skvrny a dopadají na ni anionty (kladné ionty) které vytvářejí energii potřebnou pro termoemisi primárních elektronů (4). Oblast katodového úbytku napětí (3) je způsobena prostorovým nábojem aniontů (důsledek jejich nízké pohyblivosti), který brzdí elektrony uvolněné z katody.
Výboje v plynech Část primárních elektronů dopadne (9) na anodovou skvrnu, kde se jejich kinetická energie mění na tepelnou, částečně i na elektromagnetické záření. Část elektronů naráží do atomů argonu (5), ze kterých se tvoří aniony Ar+ (6) a sekundární elektrony eII (7). Aniony Ar+ jsou přitahovány ke katodové skvrně. Takto ionizovaný plyn – sloupec oblouku (8) se stává vodivým. Při překročení kritické hodnoty proudu dochází k proudění plazmatu od elektrody k základnímu materiálu. Tepelná energie na anodě při dopadu elektronů způsobuje vysoké teploty, které postačují k roztavení základního materiálu.
Výboje v plynech Townsendova teorie výboje Teorie stanovuje podmínku pro existenci samostatného výboje – přítomnost dostatečně silného elektrického pole pro: a) urychlení volných elektronů na energie, kdy jsou schopny ionizovat atomy nebo molekuly (objemová ionizace). b) urychlení iontů u katody tak, aby bombardováním katody ionty se uvolňovaly elektrony (povrchová ionizace, emise). Každý volný elektron v elektrickém poli mezi dvěma srážkami proběhne střední volnou dráhu λ , získá kinetickou energii Wk a sráží se s atomem nebo molekulou a tuto energii jim předává. Podmínka ionizace: mv 2 Wk = = eU λ = e E λ ≥ Wi 2
Výboje v plynech Nechť z katody vyletí elektron. Je urychlován elektrickým polem a naráží do atomů nebo molekul. Ve vrstvě šířky dx vyrazí dn nových elektronů
dn = α n dx
kde α je první Townsendův koeficient – koeficient objemové ionizace. Po integraci αx
n = n0 e
Označíme-li d vzdálenost elektrod, vytvoří každý elektron (n0= 1) celkem nových elektronů
n = n0 e
αd
Výboje v plynech Stejný počet iontů dopadá na katodu a s účinností γ vyráží sekundární elektrony – elektrony druhé generace. Koeficient γ je koeficient sekundární emise – druhý Townsendův koeficient. Počet elektronů ve druhé generaci je potom
(
)
n = n0 eα d − 1 γ Je zřejmé, že podmínku pro udržení samostatného výboje lze formulovat takto :
(
)
n0 eα d − 1 γ ≥ n0
⇒
(e
αd
)
−1γ ≥1
Hodnoty koeficientů α a γ jsou pro dané plyny a materiály katody tabelovány.
Výboje v plynech Paschenův zákon je závislost průrazného napětí Uz na tlaku a vzdálenosti elektrod. Lze odvodit, že platí Uz = f (p.d) a pro jednotlivé plyny se tvar funkce určuje experimentálně.
