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 hịa về điện,
trong đó bao gồm các hạt mang điện, kể cả các hạt
trung hịa, các hạt này mang tính tập hợp. Các
điều kiện tồn tại plasma.
+ Giả trung hòa về điện

Z

n

e,i

0

e,i

+ Bán kính Debeye phải nhiều lần nhỏ hơn kích

thước của miền chứa tập hợp.
D<
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 khơng ảnh hưởng đến vật liệu khối;
có thể trở thành mơi 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 q 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 HĨA

•

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 thốt ra từ catơt sau khi đi được qng
đường d, ion hóa chất khí do đó ta có số ion
được sinh ra là:

e

d

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 ra e d 1 ion đập vào catơt 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

ed
n n0

1 (e d

1)

Từ đó, ta được mật độ dịng anơt là:

ia i 0

ed
1 (e d

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 ngồi, 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

ed

1

ed

0

Với :

pd

Thế mồi phóng điện khơng phụ thuộc vào p, d riêng


biệt mà phụ thuộc vào tích pd


ĐỊNH LUẬT PASEN
Các phương pháp làm giảm thế mồi Vm
1.Dùng kim loại có cơng thốt nhỏ làm cathode
2. Dùng hỗn hợp khí Penning
3.Nhờ nguồn tác động bên ngồi: 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 KHƠNG ĐÀN HỒI

15


VA CHẠM ĐÀN HỒI
Va chạm đàn hồi: là loại va chạm khơng 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 KHƠNG ĐÀN HỒI
Va chạm khơng 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
+
(n-1)+
+
An + M → A
+M
+
An : ion nhanh có n điện tích
M: nguyên tử hay phân tử khí
(n-1)+
A
: ion chậm có (n-1) điện tích
Q trình này có một ý nghĩa là ion có năng
lượng cao có thể biến thành nguyên tử trung hịa và
ion có năng lượng thấp hình thành trong plasma.

17


SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HĨA
Hai q 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 trị
quan trọng trong mơi trường áp suất lớn.

19


CẤU TẠO
•

ỐNG PHĨNG ĐIỆN

•

HAI ĐIỆN CỰC

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

20


CẤU TẠO
Công
tắc

Lớp phốtpho
Ống thủy tinh
Dây dẫn
Nguồn
phát
electron

Cuộn dây
Khối plasma

21


ỐNG PHĨNG 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