Plasma phóng điện khí - Ứng dụng của plasma nhiệt độ thấp 3

1
ỨNG DỤNG CỦA PLASMA NHIỆT ĐỘ THẤP
CBHD: PGS. TS Lê Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Văn Thọ
Tô Lâm Viễn Khoa
Nguyễn Đỗ Minh Quân
Phạm Văn Thịnh
Lê Khắc Tốp
Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Vật Lý
Bộ Môn Vật Lý Ứng Dụng
Địa chỉ bạn đã tải:
/>Địa chỉ bạn đã tải:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
4
ĐỊNH NGHĨA PLASMA
Plasma là một khí chuẩn (giả) trung hòa về điện,
trong đó bao gồm các hạt mang điện, kể cả các hạt
trung hòa, các hạt này mang tính tập hợp.

Các điều kiện tồn tại plasma.
+ Giả trung hòa về điện
, ,
0
e i e i
Z n
=
∑
+ Bán kính Debeye phải nhiều lần nhỏ hơn kích
thước của miền chứa tập hợp.
D << L
5
PHÂN LOẠI
PHÂN LOẠI
•
Plasma nhiệt độ thấp có nhiệt độ trong
khoảng 3000-70000K, thường được sử
dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng
điện tử, tivi plasma…
•
Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơn
70000K, thường gặp ở mặt trời và các
ngôi sao, trong phản ứng nhiệt hạch…
6
TÍNH CHẤT CỦA PLASMA
•
Hoạt tính hóa học cao → dùng để thay đổi tính chất
bề mặt mà không ảnh hưởng đến vật liệu khối; có thể
trở thành môi trường phát Laser khí.
•

Dẫn điện → có thể điều khiển nhiệt độ plasma bằng
trường điện từ.
•
Năng lượng cao và nhiệt độ cao → dùng trong các
quá trình xử lí cơ khí (hàn, cắt, v.v )
•
Bức xạ điện từ → dùng làm nguồn sáng, màn hình
Plasma.
7
•
GIỚI THIỆU
•
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
•
CẤU TẠO
•
HOẠT ĐỘNG
ĐÈN HUỲNH QUANG
8
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
•
HIỆU ỨNG PENNING
•
ĐỊNH LUẬT PASEN
•
SỰ VA CHẠM
•
SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA
•
SỰ TÁI HỢP

9
HIỆU ỨNG PENNING
Hiệu ứng Penning là ion hóa nguyên tử, phân tử
khí tạp chất do va chạm loại 2 với nguyên tử
siêu bền khí cơ bản
10
HIỆU ỨNG PENNING
Ví dụ cho 0,1% Ar vào khí phóng điện Ne tinh
khiết có catoth bằng kim loại Mo, thì thế cháy của
nó sẽ giảm từ 115 V Xuống 85 V
Trong phóng điện Ne tinh khiết, tác dụng của
nguyên tử siêu bền xuất hiện trong phản ứng.
Ne* + Ne* Ne
+
+ Ne + e
Nếu cho một khí Ar vào, thì nguyên tử siêu bền
Ne* bắt đầu ion hóa do va chạm loại 2 với nguyên
tử Ar theo phản ứng:
Ne* + Ar Ne + Ar
+
+ e
11
ĐỊNH LUẬT PASEN
Dưới tác dụng của điện trường mạnh, một
điện tử thoát ra từ catôt sau khi đi được quãng
đường d, ion hóa chất khí do đó ta có số ion
được sinh ra là:
1
d
e

α
−
12
ĐỊNH LUẬT PASEN
( )
1−
d
e
α
γ
γ
Các ion sinh ra chuyển động về catôt làm phát xạ
điện tử thứ cấp
với là số điện tử phát xạ từ bề mặt kim
loại.
Các điện tử này tiếp tục chuyển động đến
Anôt và làm ion hóa chât khí và lại tiếp tục sinh
ra ion đập vào catôt và sẽ có
điện tử thứ cấp được sinh ra
( )
1
−
d
e
α
γ
( )
2
2
1

−
d
e
α
γ
13
ĐỊNH LUẬT PASEN
Quá trình cứ tiếp tục ta được
)1(1
0
−−
=
d
d
e
e
nn
α
α
γ
Từ đó, ta được mật độ dòng anôt là:
)1(1
0
−−
=
d
d
a
e
e

ii
α
α
γ
14
ĐỊNH LUẬT PASEN
Khi tăng thế giữa hai điện cực thì sẽ tăng nhanh và

tiến đến 1 -> không cần tác động bên ngoài, phóng
điện vẫn tồn tại được.
( )
1−
d
e
α
γ
15
ĐỊNH LUẬT PASEN
011
=−≈−+
dd
ee
αα
γγγ
γ









=⇒
==








=
pd
V
pdf
m
m
m
m
e
pd
V
d
V
E
p
E
p

E
pf
)(
1
);(;
φ
φγα
Đa số trong các trường hợp << 1, nên điều kiện
mồi phóng điện có thể viết là
Với :
Thế mồi phóng điện không phụ thuộc vào p, d riêng
biệt mà phụ thuộc vào tích pd
16
Các phương pháp làm giảm thế mồi Vm
1.Dùng kim loại có công thoát nhỏ làm cathode
2. Dùng hỗn hợp khí Penning
3. Nhờ nguồn tác động bên ngoài: tăng khả năng phát
xạ điện tử và gây ion hóa mạnh ( ví dụ: đốt nóng
cathode, chiếu bức xạ có bước sóng ngắn )
ĐỊNH LUẬT PASEN
17
SỰ VA CHẠM
•
VA CHẠM ĐÀN HỒI
•
VA CHẠM KHÔNG ĐÀN HỒI
18
VA CHẠM ĐÀN HỒI
Va chạm đàn hồi: là loại va chạm không làm biến đổi
tính chất của hạt. Va chạm đàn hồi giữa electron với

phân tử hay nguyên tử là loại va chạm thường gặp
nhất. Theo thực nghiệm thì khi năng lượng electron
vượt quá vài eV thì tiết diện tán xạ đàn hồi giảm khi
tăng vận tốc hạt.
19
VA CHẠM KHÔNG ĐÀN HỒI
Va chạm không đàn hồi: là loại va chạm làm biến
đổi tính chất của hạt như kích thích, phản ứng hóa
học, ion hóa,…
Sự chuyển điện tích là sự truyền điện tích từ ion
chuyển động nhanh cho các nguyên tử hay phân tử
đang chuyển động chậm. Nguyên tử hay phân tử khi
mất một electron trở thành ion chậm
An
+
+ M → A
(n-1)+
+ M
+
An
+
: ion nhanh có n điện tích
M: nguyên tử hay phân tử khí
A
(n-1)+
: ion chậm có (n-1) điện tích
Quá trình này có một ý nghĩa là ion có năng
lượng cao có thể biến thành nguyên tử trung hòa và
ion có năng lượng thấp hình thành trong plasma.
20

SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA
Hai quá trình kích thích và ion hóa có thể kết hợp tùy ý và có thể
xảy ra các phản ứng sau đây:
e + A → A
+
+ e + e
e + M → M
+
+ e + e
e + A → A* + e
A
+
+ A → A
+
+ A
+
+ e
A + A → A
+
+ A +e
Với:
e: electron
A: nguyên tử
A
+
: ion một điện tích
M: phân tử
A*: Nguyên tử kích thích
21
SỰ TÁI HỢP

Sự tái hợp là quá trình kết hợp giữa ion với electron
hay giữa các ion trái dấu để trở thành nguyên tử hay
phân tử trung hòa. Đây là nguyên nhân làm giảm các
hạt mang điện trong plasma. Tái hợp ion đóng vai trò
quan trọng trong môi trường áp suất lớn.
22
CẤU TẠO
•
ỐNG PHÓNG ĐIỆN
•
HAI ĐIỆN CỰC
•
Starter (“Con chuột”)
•
Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):
23
CẤU TẠO
Nguồn
phát
electron
Công
tắc
Nguồn
phát
electron
Ống thủy tinh
Lớp phốtpho
Con chuôt
Khối plasma
Cuộn dây

Dây dẫn
24
ỐNG PHÓNG ĐIỆN
•
Ống phóng điện: là một ống thủy tinh dài
(10cm-120cm), bên trong ống được bơm khí
trơ Argon và một lượng thủy ngân thích hợp.
Trên thành ống có phủ một lớp huỳnh quang
(hợp chất phosphor)
25
HAI ĐIỆN CỰC
Lớp
photpho
Thủy
ngân
Khí Ar
Nguồn phát
electron
Ống thủy
tinh
Chân cắm
Bên trong của một
đèn hùynh quang