Über Plasma

Definition eines Plasmas

Ein Plasma ist ein Gas geladener Teilchen (sowohl Ionen als auch Elektronen) und Neutralen (Atome und Moleküle), aber auch von Photonen. Genauer gesagt kann es als ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas charakterisiert werden, das als Ganzes elektrisch neutral ist, dh die Anzahl der positiven und negativen Ladungen ist gleich. Es wird oft als der 4. Zustand der Materie betrachtet, weil es entsteht, wenn einem Gas Energie zugeführt wird, obwohl es keinen abrupten Phasenübergang wie die Übergänge von fest zu flüssig und von flüssig zu gas gibt. Ein alternativer Name für Plasma ist die Glimmentladung aufgrund des charakteristischen Glimmens aus dem Plasma aufgrund von Abregung von Teilchen mit der einhergehenden Emission von Photonen. Auf der Erde kommt das Plasma mit Ausnahme von Blitzen und Flammen nicht als natürlicher Zustand vor, aber im Weltraum ist Plasma die häufigste Form von Materie. Künstlich erzeugte gasförmige Plasmen haben jedoch zahlreiche Anwendungen im Dienst der Menschheit. Plasma ist in so verschiedenen Anwendungen als Lichtquellen, neue Arten von Fernsehbildschirmen, in Reaktoren für Fusionsexperimente, etc. Wahrscheinlich die häufigste und von größter wirtschaftlicher Bedeutung, die Plasma-Anwendungen in der Materialverarbeitung von Festkörpern, sowie von Gase, sind. Anders als die Plasmen für die Fusion sind diese Plasmen "kalt", dh nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, wo das Gas bei niedriger Temperatur ist, während Elektronen Energien (Temperaturen) aufweisen, die hoch genug sind, um Gaspartikel zu ionisieren, anzuregen, zu dissoziieren usw.

Erzeugung von Plasmen

Plasmen für industrielle Anwendungen in der Materialbearbeitung werden von verschiedenen Plasmaquellen erzeugt.

Ein Plasma kann erzeugt werden durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden in einem Gas und bei einer bestimmten Spannung in Abhängigkeit von dem Gasdruck und dem Abstand zwischen den Elektroden wird ein Durchbruch in dem Gas auftreten, so dass das Gas aufgrund der Ionisierung leitend wird. Die Ionisierung wird durch Kollisionen zwischen Elektronen, die durch das elektrische Feld auf die Ionisationsenergie beschleunigt werden, und neutralen Teilchen, z. B. Atomen, verursacht. Jede Kollision, die ein freies Elektron erzeugt, kann eine neue Ionisierung verursachen, aber das erste Elektron ist auch noch frei, wieder zu kollidieren, so dass die Ionisation als ein Lawinenprozess erscheint. Schließlich erreicht dieser Prozess einen stationären Zustand zwischen der Erzeugung und dem Verlust der geladenen Teilchen. Der Verlust der Ionen und Elektronen aus dem Plasmavolumen kann durch Rekombination und Diffusion zu den Plasmagrenzen erfolgen. Der Beginn der Ionisierung wird durch die Primärionen und Elektronen ermöglicht, die immer in jedem neutralen Gas vorhanden sind, beispielsweise aufgrund von Ionisation durch kosmische Strahlung. Elektronen, die nicht genug Energie haben, um ein Atom zu ionisieren, können ihre elektronische Struktur verändern und anregen, und wenn das Atom dexziert, kann ein Photon emittiert werden. Rekombination von geladenen Teilchen und Abregungen tragen zu einer für die Plasmasysteme charakteristischen Glüheigenschaft bei.

Bei der einfachsten Art einer Glimmentladung ist die angelegte Spannung eine Gleichspannung und die zwei Elektroden stellen jeweils eine Kathode und eine Anode dar. Das elektrische Feld ist nicht gleichmäßig zwischen den Elektroden verteilt, was Unterschiede in der Helligkeit des Glühens verursacht. Der intensivste Teil der Entladung ist das "negative Glühen" in der Nähe, aber getrennt von der Kathode. Der Bereich zwischen diesem Leuchten und der Kathode ist "der Kathoden-Dunkelraum" oder "die Raumladungs-Hülle", wo das Potential drastisch abfällt. Da es in diesem Bereich keine oder sehr wenige Kollisionen und somit keine Photonenemission gibt, erscheint es dunkel. Positive Ionen werden durch den Potentialabfall durch die Hülle beschleunigt und kollidieren mit der Kathodenoberfläche. Dies kann zur Emission von Sekundärelektronen führen, die von der Kathode in das negative Glühen zurückgestoßen werden und dort die Ionisierung verstärken. Die Ionen können auch Atome aus dem Kathodenmaterial herausschlagen, und dieser Effekt wird beim Sputtern als eine Quelle von abzuscheidendem Material verwendet. Wenn der Abstand zwischen der Kathode und der Anode lang genug in Bezug auf die Breite der Entladung ist, kann ein anderer Glühbereich, "die positive Spalte", erscheinen. An der Anode ist auch ein dunkler Raum, aber sehr dünn.

Wenn die Kathode von einem nicht leitenden Material umgeben ist, kann ein Plasma aufgrund der Aufladung der Elektrodenoberfläche nicht durch eine Gleichspannung aufrechterhalten werden. In diesem Fall ist es möglich, die Elektrode mit Hochfrequenz (RF) -Spannung zu versorgen, damit die Entladung erzeugt werden kann. Die HF-Entladungen haben üblicherweise eine effizientere Ionisierung als die DC-Entladungen. Die Elektronen haben eine sehr geringe Masse und können den HF-Oszillationen leicht folgen, während die Ionen nur dem zeitlichen Durchschnittsfeld folgen. Im Fall einer leitenden Kathode kann ein Sperrkondensator zwischen der Kathode und der Stromversorgung verwendet werden, um eine negative Gleichstromvorspannung an der Kathode (tatsächlich an beiden Elektroden) aufzubauen, und eine Raumladungshülle kann zwischen den Elektroden und dem Plasma gebildet werden Bei einer HF-Entladung werden die Ionen wie im DC-Fall durch diese Hülle beschleunigt.

Hohlkathoden

Das Vorhandensein von Ummantelungen in hohlen Elektrodengeometrien kann eine "zusätzliche" Entladung - die Hohlkathodenentladung (HCD) - verursachen, die in den Hohlkathodenquellen verwendet wird. In einem Zweielektrodensystem mit einer hohlen negativen Elektrode (Kathode) und einer größeren Gegenelektrode (Anode) kann die HCD innerhalb des Hohlraums in der Kathode gleichzeitig mit der "gewöhnlichen" Entladung zwischen der Kathode und der Anode entstehen, wenn der Abstand umgekehrt ist Wände in der Kavität sind ungefähr gleich der Breite des negativen Glühens. Der Ursprung der HCD ist ein Einschluss von Elektronen innerhalb der Hohlkathode, wenn energiereiche Elektronen, die von einer Kathodenwand emittiert werden, über die Hülle in Richtung der gegenüberliegenden Wand beschleunigt werden. Wenn sie die identische Hülle auf der gegenüberliegenden Seite mit dem gleichen, aber entgegengesetzten elektrischen Feld erreichen, werden sie zurückreflektiert. Die Elektronen werden gefangen und gezwungen, zwischen den gegenüberliegenden Hüllen zu oszillieren. Dieser Mechanismus wird als "Hohlkathodeneffekt" bezeichnet. Während dieser Oszillationen können Elektronen inelastische Stöße mit Gasatomen eingehen und die Wahrscheinlichkeit für eine Ionisation erhöhen, was ein sehr dichtes Plasma innerhalb der Kathode ergibt. Dieses Plasma wird durch strömendes Gas aus der Kathode herausgedrückt. Die Hohlkathode kann auch durch eine HF-Stromversorgung versorgt werden. Die Elektronen können während eines HF-Zyklus viele Male oszillieren, was zu einer hohen Plasmadichte führt. Die Hohlkathoden können unterschiedliche Geometrien aufweisen: Röhren, Röhrenanordnungen oder parallele Platten (lineare Hohlkathoden).