Bài thuyết trình Vật lý ứng dụng Ứng dụng của Plasma nhiệt độ thấp

Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Vật Lý
Bộ Môn Vật Lý Ứng Dụng
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

1


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

Z

n 0

e ,i e , i

+ Bán kính Debeye phải nhiều lần nhỏ hơn kích

thước của miền chứa tập hợp.
D << L
2


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…
3


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.
4

ĐÈN HUỲNH QUANG
• GIỚI THIỆU

• CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• CẤU TẠO

• HOẠT ĐỘNG
5


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• HIỆU ỨNG PENNING
• ĐỊNH LUẬT PASEN
• SỰ VA CHẠM
• SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA
• SỰ TÁI HỢP
6


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

7

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

8


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:
d

e 1

9


ĐỊNH LUẬT PASEN
Các ion sinh ra chuyển động về catôt làm phát xạ
điện tử thứ cấp  e d  1
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
d
ra  e 1 ion đập vào catôt và sẽ có
điện tử thứ cấp được sinh ra  2 ed 12
10


ĐỊNH LUẬT PASEN
Quá trình cứ tiếp tục ta được

e d
n  n0
1   (e d  1)
Từ đó, ta được mật độ dòng anôt là:
d

e
i a  i0
d
1   (e  1)
11

ĐỊNH LUẬT PASEN
Khi tăng thế giữa hai điện cực thì sẽ tăng nhanh và

 e

d



1

tiến đến 1 -> không cần tác động bên ngoài, phóng
điện vẫn tồn tại được.

12


ĐỊNH LUẬT PASEN
Đa số trong các trường hợp  << 1, nên điều kiện
mồi phóng điện có thể viết là

1    e
Với :

d

 1  e

d

0

Vm
 E
E
  pf  ;  ( );Em 
p
d
 p
1

e
Vm
( )
pd

V 
pdf m 
 pd 

Thế mồi phóng điện không phụ thuộc vào p, d riêng
biệt mà phụ thuộc vào tích pd

13


ĐỊNH LUẬT PASEN
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..)
14


SỰ VA CHẠM
•

VA CHẠM ĐÀN HỒI

•

VA CHẠM KHÔNG ĐÀN HỒI

15


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.

16

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.
17


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
18


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.

19


CẤU TẠO
• ỐNG PHÓNG ĐIỆN
• HAI ĐIỆN CỰC

• Starter (“Con chuột”)
• Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):

20


CẤU TẠO
Công
tắc

Nguồn
phát
electron

Con chuôt

Lớp phốtpho
Dây dẫn

Ống thủy tinh

Nguồn
phát
electron

Cuộn dây
Khối plasma

21


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)

22

HAI ĐIỆN CỰC
Bên trong của một
đèn hùynh quang

Chân cắm

Ống thủy
tinh
Nguồn phát
electron
Lớp
photpho

Thủy
ngân

Khí Ar

23


Starter (“Con chuột”)
• cấu tạo gồm một cặp điện cực và một tụ điện. Cặp
điện cực được đặt trong một ống thủy tinh bơm đầy
khí neon. Cặp điện cực và tụ điện được mắc song
song với nhau, hai dây nối được nối ra ngoài với hai
nút kim loại. Cả ống thủy tinh và tụ điện đều được đặt
trong một hộp nhựa hình trụ.

24


Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):
• một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt có thiết kế đặc
biệt

25