C8930 - Metody plazmochemické konzervace
Úvod, definice plazmatu, základní
charakteristika
D.Pavliňák 2019
C8930 – „Velmi lehký úvod do fyziky plazmatu“
1. Úvod: definice plazmatu a základní pojmy (srážkové procesy, Debyeův poloměr, plazmová frekvence,
charakteristiky plazmatu, Boltzmannova kinetická rovnice).
2. Transportní procesy v plazmatu a jeho elektromagnetické vlastnosti (koeficient difúze a vodivost
plazmatu, dielektrické vlastnosti plazmatu, permitivita a index lomu, šíření elmg. vln v plazmatu)
3. Výboje v plynech (Townsendova teorie růstu lavin a podmínka zapálení el. výboje, Paschenův zákon,
podmínka zapálení vysokofrekvenčního výboje)
4. Typy a charakteristiky výbojů (základní rozčlenění na nízkotlaké a vysokotlaké výboje, stejnosměrné,
nízkofrekveční, vysokofrekvenční a mikrovlnné výboje)
5. Nízkotlaké výboje (vysokofrekvenční kapacitní a induktivní výboj, mikrovlnné výboje)
6. Vysokotlaké výboje (oblouk, povrchové a bariérové výboje, klouzavý výboj, koróna, pochodňový
výboj, plazmová tužka, plazmatron)
7. Plazmová chemie (rychlost plazmochemické reakce a typy těchto reakcí)
8. Interakce plazmatu s pevnou látkou a s kapalinou
9. Diagnostické metody plazmatu (optická a hmotnostní spektrometrie, elektrická měření, sondová
měření, optická mikroskopie)
10. Plazmochemická redukce (kovy)
11. Plazmochemické nanášení vrstev, aktivace-pasivace povrchu (kov, sklo, keramika, textil, papír)
12. Plazmová tužka (úprava povrchu v kapalině a na volné atmosféře - kov, sklo, keramika, papír)
13. Laser (princip, druhy laserů)
14. Laserová ablace (kov, kámen, papír)
2
Úvod: Plazma vs. Plazma
1) Plazma, -y (ž.), (6. j. -u) (z
řec.) (1) biol. bioplazma,
protoplazma, buněčná p.; (2)
krevní p. (jen -y ž.) tekutá
složka krve
2) Plazma, -matu (s.), fyz. vysoce
ionizovaný plyn vznikající
vysokou teplotou, zářením
apod.
3
Definice plazmatu
• Plazma je čtvrté skupenství hmoty a také nejrozšířenější
forma látky – tvoří 99% viditelné hmoty vesmíru.
• Plazma je ionizovaný plyn složený z elektronů a iontů
(případně i neutrálních molekul a atomů).
• Abychom mohli ionizovaný plyn považovat za plazma musí
splňovat jisté vlastnosti – tzv. kritéria plazmatu. (Kolektivní
chování a kvazineutralitu)
4
Základní charakteristika plazmatu:
• Stupeň ionizace – (V plazmatu dochází neustále ke srážkám částic
mezi sebou – elektrony, ionty a neutrálních částice. Podle
převládajícího typu srážek dělíme plazma na dva druhy.)
• Silně (Plně) ionizované plazma - v plazmatu je většina molekul
(atomů) ionizováno na elektron a ion. (Převládají srážky elektron-ion,
νei > νen)
• Slabě ionizované plazma - v plazmatu je většina molekul (atomů)
neionizovaných. (Převládají srážky elektron-neutrál, νei < νen)
5
Ukázka silně ionizovaného
plazmatu (plazma v jádru
slunce) a slabě ionizované
plazma (výboj v neonové
trubici).
Základní charakteristika plazmatu:
• Teplota plazmatu – podle teploty rozlišujeme
plazma na vysokoteplotní a nízkoteplotní.
• Vysokoteplotní (termické) – má střední
energii částic větší než 100 eV (teplota je
více jak milión °C). Je to plazma, které se
nachází ve hvězdách nebo ve fúzních
reaktorech. Zpravidla se jedná o silně
ionizované plazma, kde je teplota
elektronů rovna teplotě iontů (Te = Ti).
Takové plazma nazýváme také jako
izotermické.
• Nízkoteplotní (studené) – je většinou
slabě ionizované plazma, kde je teplota
lehkých částic (elektronů) je o několik
řádů vyšší než teplota těžkých částic
(neutrály, ionty), plazma označujeme jako
neizotermické (Te >> Ti = Tn) .
6
Ukázka termického plazmatu (plazma ve fúzním reaktoru) a studeného neizotermického plazmatu (DCSBD), kde
je sice teplota elektronů cca 10 000 K, ale teplota těžkých částic je na úrovní okolní teploty. (Zjednodušeně: díky
malé hmotnosti elektronu (cca 1/1000 hmotnosti protonu) má elektron i nízkou kinetickou energii, a tudíž při
srážkách není schopen efektivně předávat/přeměnit kinetickou energii na teplo = plazma je studené.)
Greifswald - Wendelstein 7-X
Brno - DCSBD
Další dělení
• Dle původu:
• Přírodní – korona slunce, blesk, polární záře…
• Umělé – zářivka, elektrické výboje v laboratoři…
• Dle tlaku pracovního plynu:
• Nízkotlaké – magnetrony, CCP – leptání/povlakování…
• Atmosférické – DBD, ozonizátory, plazmové jety…
• Dle způsobu generování:
• Elektrické – CCP, ICP, DBD, MW, korona, oblouk…
• Fúzní – termojaderný reaktor, fúze uvnitř hvězd
• Tepelné – produkované laserem, raketové trysky
7
Plazma - čtvrté skupenství hmoty
8
Rozdělení plazmatu dle teploty a hustoty
9
Rozdělení plazmatu dle teploty a hustoty
10
Teplota plazmatu v eV??? (eV = elektronvolt)
Potřeba nadefinovat nové jednotky.
Elektronvolt
• Elektronvolt (eV) je jednotka práce a energie. Není
jednotkou SI. (Odpovídá kinetické energii, kterou
získá elektron urychlený ve vakuu napětím 1V.) Má
hodnotu jednoho voltu vynásobeného
elementárním nábojem:
1eV = 1V*1e = 1(J/C)*1e
(elementární náboj je roven velikosti náboje
elektronu, e = 1,602*10-19 C)
• Z definice plyne: Energie 1eV = 1,602*10-19 J
11
Elektronvolt
• Jednotka elektronvolt se ve fyzice také často používá
pro vyjádření hmotnosti, teploty, času vzdálenosti.
• Např. vyjádření hmotnosti v eV:
• z rovnice E=mc2 se dá vyjádřit hmotnost 1 eV jako:
1eV/c2 = (1,602*10-19 C * 1V)/(2,99*108 ms-1)2
= 1,783*10-36 kg
• (z toho plyne, že hmotnost elektronu a protonu lze
přibližně vyjádřit jako 1 MeV, respektive 1 GeV)
12
Elektronvolt - teplota
• Ve fyzice plazmatu se často teplota vyjadřuje v eV
pomocí definice na Boltzmanovu konstantu (kB =
1,38*10-23 JK-1):
1eV = 1eV/kB = 1,602*10-19 J/1,38*10-23 JK-1 = 11 604 K
• ( v praxi se často používá jen jednotka eV)
• Teplota 20°C (290 K) tedy odpovídá (290/11604): 0,025 eV
• Teplota plazmatu ve fúzním reaktoru ITER: 8-9 keV = 100
mil.°C
• Výhodou je možnost odvodit střední kinetickou energii částic:
EK = 3/2* T(eV)
13
Elektronvolt – vlnová délka záření
• Převod energie na vlnovou délku záření:
• E = hν = hc/λ
• h – Planckova konstanta 4,135*10-15 eVs, ν – frekvence
Hz (respektive s-1), λ – vlnová délka m, c – rychlost světla
= 299*106 ms-2
• 1eV = 1240 nm (241,8 THz)
14Energie viditelného světla v eV
15
Typ záření značka frekvence vlnová délka vlnočet Energie
Gamma γ 300 EHz 1 pm 1.24 MeV
X-ray
HX 30 EHz 10 pm 124 keV
SX 3 EHz 1 nm 12.4 keV
UV
EUV 30 PHz 10 nm 124 eV
NUV 3 PHz 100 nm 12.4 eV
visible
blue 788 THz 380 nm 26*103 cm-1 3.2 eV
yellow 599 THz 500 nm 20*103 cm-1 2.5 eV
red 394 THz 760 nm 13*103 cm-1 1.6 eV
Infra
NIR 300 THz 1 µm 103 cm-1 1.24 eV
MIR 30 THz 10 µm 1000 cm-1 124 meV
FIR 3 THz 100 µm 100 cm-1 1.24 meV
Radio
Wi-fi MW 5 GHz 59 mm 21 µeV
mikrovlnka MW 2.45 GHz 12 cm 10.3 µeV
mobil UKV 915 MHz 3 dm 4 µeV
rádio VKV 100 MHz 3 m 0.4 µeV
RFID HF 13.56 MHz 22 m 599 neV
Záření černého tělesa
• Pozor: U těles produkující záření se pro výpočet teploty záření
požívá aproximace záření černého tělesa tzv. Wienův posunovací
zákon. (čím teplejší je těleso, tím více vyzařuje v maximu na kratších
vlnových délkách)
16
λmax. = b/T
kde: b = 2,898*10-3 mK .
Praktické využití: Světelné zdroje – teplota barev
17
Praktické využití: Fotografie - teplota barev/vyvážení bílé
18
Úkol:
• Jakou barvu, frekvenci a energii v eV, má světlo o
vlnové délce 532 nm?
• Jaká je povrchová teplota slunce, pokud vyzařuje v
maximu při 500 nm?
19
c = λ/τ = λ*ν; E = h*ν; λmax. = b/T, 1eV = 1,602*10-19 J
Wienova konstanta b = 2,898*10-3 mK
Rychlost světla c = 2,998*108 ms-1
Planckova konstanta h = 6,6262*10-34 Js