Nguồn gốc của các dạng trong plasma

Một hiện tượng phóng điện khí trong phòng thí nghiệm được định nghĩa là nó các giới hạn vật lý như hình 1. Các hạt phóng điện được tạo nên và mất đi trong cả vùng không gian giới hạn và ở các bề mặt đã xác định đến các mức độ thay đổi. Không chỉ đưa ra một sự phân loại tốt hơn về plasma mà còn có thể đưa ra trực tiếp các vấn đề mở rộng cho nguồn plasma.

Hình 1. Tạo plasma bên trong “tụ điện – bình (chamber)” (phòng thí nghiệm)

Bảng 1 liệt kê các phản ứng khác nhau mà có thể diễn ra ở bề mặt tiếp xúc với plasma. Hai vấn đề đầu tiên cần quan tâm là quá trình khắc (dập tắt plasma) và quá trình lắng đọng, kết bám được lần lượt tăng cường bởi sự truyền năng lượng được tạo ra bởi các hạt khác nhau.

Bảng 2 và 3 liệt kê  các hiện tượng xảy ra trong chất khí, ở đây các hạt bị ion hóa, một số phân tử khí bị phân chia và tích tụ kết khối (có chút kim loại). Quá trình cuối cùng là giai đoạn đầu tiên trong sự hình thành vật liệu hạt (bụi) trong plasma.

Bảng 1. Các phản ứng bề mặt
Phản ứng Mô tả Nhận biết
AB + C_rắn → A +BC_hơi Ăn mòn Ăn mòn kim loại
AB → A +B_rắn Kết tụ Tạo lớp phim mỏng
e- + A+ → A Tái hợp Quá trình tổn thất cơ bản
A* → A Khử kích thích
A* → A + e- (từ bề mặt) Phát xạ thứ cấp Điện tử Auger
A+(nhanh) → A + e- (từ bề mặt) Phát xạ thứ cấp Điện tử Auger
Bảng 2. Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các electron
e- + A → A + e- Tán xạ đàn hổi Các electron nhiệt
e- + A → A+ + e- + e- Ion hoá Dẫn điện
e- + A → A* + e- Kích thích
e- + A* →  e- + A + hυ Khử kích thích Phát ánh sáng
e- + A* → A+ + e- + e- Ion hoá bước 2 Hiệu suất ion hoá
e- + AB → A + B + e-→ A+ + e- + B + e- 

→ A- + B

Phân mảnhIon hoá phân ly 

Kết hợp phân ly

Phân tích khí còn dư
e- + A+ + B → A + B Tái hợp môi trường Suy giảm plasma&trạng thái ổn định
Bảng 3. Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các ion và các hạt trung hoà
A+ + B → B+ + A “cộng hưởng” với B = A Trao đổi điện tích Phổ năng lượng ion
A+ + B → B + A+ Tán xạ đàn hồi Phổ năng lượng ion
A+ + B → A+ + B* + e- Sự kích thích Hiệu suất ion hoá
A+ + B → A+ + B+ + e- Sự ion hoá Hiệu suất ion hoá
A + B* → A+ + B + e- Sự ion hoá Penning Hiệu suất ion hoá
A+ + BC → A+ + B + C- Sự phân mảnh/Sự phân ly Phân tích khí còn dư
e- + A+ + B → A + B Tái hợp môi trường Suy giảm plasma
A± + B → AB± Có chút kim loại Các phổ khối lượng ion
A + B → AB Có chút kim loại Phân tích khí còn dư


Phòng thí nghiệm plasma-Sự duy trì trạng thái ổn định

Trong các phòng thí nghiệm, ta có thể hình dung có sự phóng điện trong một tụ điện (đó là một bình chứ chất khí sẽ làm môi trường để tạo plasma) với một nguồn khí cung cấp tạm thời cho sự ion hoá khí.

Hình . Tạo plasma bên trong “tụ điện – bình (chamber)” (phòng thí nghiệm)

Hiện nay, sự phóng điện liên tục thường được sử dụng để tạo ra một một trạng thái ổn định động, trong đó có một sự cân bằng giữa việc phát ra (các nguồn) và tổn thất (các chỗ thoát nhiệt). Một bình chứa duy trì một trạng thái ổn định động như dòng khí vào ở mức tương tự tỷ lệ so với khi chảy vào. Nếu quá trình phát và tổn thất được tách biệt về mặt vật lý, thông thường đó là trường hợp tạo plasma trong phòng thí nghiệm và  không có sự cân bằng (về nhiệt), sau đó năng lượng đã được dồn vào việc tạo plasma được vận chuyển một cách hiệu quả đến vùng tổn thất và dòng ổn định của năng lượng phải được cung cấp để duy trì trạng thái ổn định.
Plasma tạo ra trong phòng thí nghiệm được hình thành khi khí bị ion hóa bằng việc cho một dòng điện qua nó, hoặc bằng cách chiếu bức xạ điện từ (đèn phóng điện đơteri) vào nó. Nói chung, các phương thức hình thành plasma này là cung cấp năng lượng trực tiếp đến các điện tử tự do trong plasma. Sự va chạm điện tử (electron)-nguyên tử giải phóng thêm các điện tử và nhiệt độ của chất khí. Cuối cùng các điện tử (electron) có nhiệt tăng lên một chút và lớn hơn so với các ion, bởi vì các điện tử mang dòng điện hoặc hấp thụ năng lượng điện từ, nhưng sự hiện diện của bình chứa có nghĩa là không có thời gian và cũng không có không gian cho sự cân bằng nhiệt.

Cân bằng và các trạng thái ổn định của plasma

Trạng thái của plasma có thể được hiểu rõ như là giai đoạn cân bằng ở một trạng thái cân bằng nhiệt  của vật chất nằm bên ngoài các điều kiện của các chất khí. Tuy nhiên, chỉ cần các dạng rắn vô định hình xuất hiện là các dạng rắn ở trạng thái ổn định (mặc dù không cân bằng nhiệt), do đó các plasma được tạo ra ở phòng thí nghiệm thường tồn tại như là dạng ổn định và có trạng thái không cân bằng về nhiệt. Cần chú ý là thời gian tồn tại của các hạt riêng lẻ trong phòng thí nghiệm plasma có thể chỉ là một phần rất nhỏ của một giây, do đó, trạng thái ổn định là một loại cân bằng động (nhưng không có cân bằng nhiệt).

Tiết diện va chạm và đường tự do trung bình

Một nghiên cứu thấu đáo về sự va chạm có xem xét các góc tán xạ và các thông số ảnh hưởng sẽ được đề cập tiếp theo tại các phần sau. Dưới đây là một cách tiếp cận đơn giản “bậc thứ tự không” để trình bày tổng quát hơn.

Xem xét một electron chuyển động thông qua các nguyên tử bền argon, xem hình dưới đây.

Tính toán đường tự do trung bình

Chỉ các va chạm đàn hồi sẽ được bàn thảo tại đây và các nguyên tử mục tiêu được xem như là quả cầu cứng và điện tử (electron) được giả định hoạt động như một khối điểm, hiệu ứng phát sinh từ các điện tích của nó là bỏ qua. Câu hỏi cần được giải quyết là các electron có thể được dự kiến sẽ thâm nhập bao xa trước khi có một sự va chạm.

Số lượng các nguyên tử mục tiêu (argon) trong một khối lập phương xyz là [n(g)*x*y*z]. Mỗi nguyên tử cho ta một tiết diện, π*r^2(Ar) = σ, che khuất các đường dẫn điện tử. Quan sát qua các mặt phẳng xy, tổng diện tích bị che bởi các nguyên tử sẽ được [n(g)*x*y*z*σ]. Khi khối lập phương kéo dài (mở rộng) như một đường tự do trung bình (λ), hầu như toàn bộ bề mặt (xy) sẽ được che khuất nên:

và điện tử có nhiều khả năng sẽ có một sự va chạm trong đó có một yếu tố trong bốn yếu tố trên các thông số tương ứng với kích thước của nguyên tử bắn phá (đạn).

Tần số của các va chạm có thể được ước tính cho các nguyên tử bắn phá (trong trường hợp này là các điện tử electron) với một tốc độ trung bình v(bar) là:

v = v(bar)*n(subscript g)*σ.

Sự tỷ lệ của đường tự do trung bình và tần số va chạm với áp lực, thông qua n(g), và năng lượng, thông qua v(bar), là phù hợp với trực giác.

Trong thực tế các tiết diện không thực sự độc lập về mặt năng lượng, ngay cả đối với va chạm đàn hồi. Các electron năng lượng cao có tốc độ xuyên qua tương đối nhanh và do đó các cơ hội tương tác với electron lớp vỏ bên ngoài trên một nguyên tử bị giảm xuống. Ngoài ra, ở mức năng lượng rất thấp, cơ học lượng tử có thể chiếm ưu thế, lấy một điện tử (electron) quay xung quanh một nguyên tử không có khả năng “đánh dấu” để tương tác trên một phạm vi hẹp của năng lượng – được gọi là hiệu ứng Ramsauer. Hình dưới đây minh họa các đặc tính này của argon, cũng biểu thị tiết diện của va chạm không đàn hồi. Tính diện hình cầu khoảng 3*10^-20 m^2.

*Ramsauer–Townsend effect

The Ramsauer–Townsend effect, also sometimes called the Ramsauer effect or the Townsend effect, is a physical phenomenon involving the scattering of low-energy electrons by atoms of a noble gas. Since its explanation requires the wave theory of quantum mechanics, it demonstrates the need for physical theories more sophisticated than those of Newtonian physics.

Definitions

When an electron moves through a gas, its interactions with the gas atoms cause scattering to occur. These interactions are classified as inelastic if they cause excitation or ionization of the atom to occur and elastic if they do not.

The probability of scattering in such a system is defined as the number of electrons scattered, per unit electron current, per unit path length, per unit pressure at 0°C, per unit solid angle. The number of collisions equals the total number of electrons scattered elastically and inelastically in all angles, and the probability of collision is the total number of collisions, per unit electron current, per unit path length, per unit pressure at 0°C.

Because noble gas atoms have a relatively high first ionization energy and the electrons do not carry enough energy to cause excited electronic states, ionization and excitation of the atom are unlikely, and the probability of elastic scattering over all angles is approximately equal to the probability of collision.

Description

The effect is named for Carl Ramsauer (1879-1955) and John Sealy Townsend (1868-1957), who each independently studied the collisions between atoms and low-energy electrons in the early 1920s.

If one tries to predict the probability of collision with a classical model that treats the electron and atom as hard spheres, one finds that the probability of collision should decrease monotonically with increasing electron energy. However, Ramsauer and Townsend observed that for slow-moving electrons in argon, krypton, or xenon, the probability of collision between the electrons and gas atoms obtains a minimum value for electrons with a certain amount of kinetic energy (about 0.7 electron volts for xenon gas). This is the Ramsauer-Townsend effect.

No good explanation for the phenomenon existed until the introduction of quantum mechanics, which explains that the effect results from the wave-like properties of the electron. A simple model of the collision that makes use of wave theory can predict the existence of the Ramsauer-Townsend minimum. Bohm presents one such model that considers the atom as a finite square potential well.

Predicting from theory the kinetic energy that will produce a Ramsauer-Townsend minimum is quite complicated since the problem involves relativistic, electron exchange, and spin polarisation effects. However, the problem has been extensively investigated both experimentally and theoretically and is well understood (see Johnson).

* Mean Free Path

The mean free path or average distance between collisions for a gas molecule may be estimated from kinetic theory. Serway’s approach is a good visualization – if the molecules have diameter d, then the effective cross-section for collision can be modeled by

using a circle of diameter 2d to represent a molecule’s effective collision area while treating the “target” molecules as point masses. In time t, the circle would sweep out the volume shown and the number of collisions can be estimated from the number of gas molecules that were in that volume.

The mean free path could then be taken as the length of the path divided by the number of collisions.

The problem with this expression is that the average molecular velocity is used, but the target molecules are also moving. The frequency of collisions depends upon the average relative velocity of the randomly moving molecules.

* Refinement of Mean Free Path

The intuitive development of the mean free path expression suffers from a significant flaw – it assumes that the “target” molecules are at rest when in fact they have a high average velocity. What is needed is the average relative velocity, and the calculation of that velocity from the molecular speed distribution yields the result

which revises the expression for the effective volume swept out in time t

The resulting mean free path is

The number of molecules per unit volume can be determined from Avogadro’s number and the ideal gas law, leading to

* Mean Free Path Perspective

You may be surprised by the length of the mean free path compared to the average molecular separation in an ideal gas. An atomic size of 0.3 nm was assumed to calculate the other distances.

Average Relative Velocity

In order to calculate the mean free path for a molecule of a gas, it is necessary to assess the average relative velocity of the molecules involved rather than just the average velocity of any given molecule. The relative velocity of any two molecules can be expressed in terms of their vector velocities.

The magnitude of the relative velocity can be expressed as the square root of the scalar product of the velocity with itself.

This expression can be expanded as follows.

Taking the average of the terms leads to

Since the same average velocity would be associated with each molecule, this becomes

Chúng ta có thể tìm hiểu thêm ở link sau:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/menfre.html

Va chạm đàn hồi, không đàn hồi và siêu đàn hồi

Cho đến nay các va chạm phổ biến nhất trong các chất khí là giữa các cặp hạt (va chạm hai thành phần-ở đây ta có thể giả thiết là sự va chạm giữa một electron và một hạt (khái niệm hạt ở đậy là tương đối)). Khi các hạt tương tác với nhau (va chạm) động lượng và năng lượng phải được bảo toàn. Có ba trường hợp rõ ràng là: va chạm đàn hồi, va chạm không đàn hồi và va chạm siêu đàn hồi đồng thời sẽ có các tiết diện va chạm của electron theo từng dạng đó.

1. Va chạm đàn hồi (Elastic Encounters)

Không có sự mất mát năng lượng động năng của cặp hạt, mặc dù có thể có một sự trao đổi năng lượng giữa các hạt. Đây là va chạm duy nhất diễn ra giữa các electron và các nguyên tử của các phân tử khí đơn nguyên tử khi năng lượng của các electron không tăng đến giá trị ngưỡng cần thiết cho việc tạo ra sự thay đổi trong trạng thái điện tử hoặc sự ion hoá cảu các nguyên tử. Trong các va chạm với các phân tử hai nguyên tử hoặc nhiều nguyên tử, va chạm đàn hồi thường đi cùng với với các va chạm không đàn hồi và siêu đàn hồi.

2. Va chạm không đàn hồi (Inelastic Encounters)

Một phần của năng lượng động năng ban đầu được chuyển thành năng lượng bên trong của một hoặc nhiều các hạt (ví dụ trạng thái kích thích hoặc các ion được hình thành)

3. Va chạm siêu đàn hồi (Superelastic Encounters)

Các va chạm này có thể xảy ra khi một electron va chạm với một nguyên tử hoặc phân tử trong một trạng thái năng lượng kích thích . Phân tử thay đổi đến một trạng thái có mức năng lượng bên trong nhỏ hơn và giải phóng năng lượng được coi như làmột sự gia tăng năng lượng động lực học cho electron. Các va chạm này là đảo ngược của va chạm không đàn hồi.

Phân tích chi tiết của các dạng va chạm hai thành phần như trên, chúng ta có thể tổng kết một số điểm chú ý như sau:
• Các hạt chuyển động (m) không thể mất nhiều năng lượng đàn hồi cho các hạt nặng hơn (M)- đúng nhất là một phần nhỏ 2m/M, tuy nhiên, có sự thay đổi đáng kể trong động năng đã xuất hiện (ví dụ quả tennis).
• Một hạt chuyển động theo dạng va chạm đàn hồi có trạng thái ổn định bằng khối lượng đầu vào có thể chuyển đổi tất cả các năng lượng động lực học của nó (ví dụ quả bi-a).
• Các hạt chuyển động có thể mất hầu như tất cả năng lượng động lực học của chúng thông qua các va chạm không đàn hồi với các đối tượng nặng hơn (ví dụ sự phun cát-nhằm làm sạch vật đúc).
• Sự như nhau về khối lượng các hạt có thể làm mất không quá nửa năng lượng động lực học không đàn hồi về sự va chạm đó (ví dụ sự ion hoá tác động các ion).
• Các va chạm hai thành phần trong đó có ít nhất một hạt bị tích điện có thể được tuân theo bởi lực Coulomb ở tầm xa.


Các điện tích dịch chuyển

Giả thiết:

- Điện tích là một nguồn điện trường mà qua đó mọi lực tác dụng của điện tích lên các điện tích bất kỳ khác theo tỷ lệ là nghịch đảo của bình phương khoảng cách giữa chúng (1/r^2).

- Một điện trường bên ngoài sẽ đặt lên một số điện tích đi vào.

- Các điện tích có sự chuyển động liên quan với từ trường cũng có ảnh hưởng. Lực Lorentz kết hợp các hiệu ứng điện và từ đối với điện tích như sau:

F = q (E + v x B)

trong đó: q là giá trị của điện tích (Coulomb); E là điện trường (V/m); v là vận tốc (m/s); x- ngụ ý là tích vector, B là mật độ thông lượng trong (Tesla).

* Nếu áp dụng cho một điện tích, điện tích tăng năng lượng:

trong đó v_d là một vận tốc chuyển dịch. Năng lượng eV có thể tăng bằng cách di chuyển một khoảng cách nhất định, x1, theo hướng của điện trường:

Sự chuyển động của các hạt một cách ngẫu nhiên trong các va chạm đàn hồi dẫn đến một tốc độ nhiệt như phương trình:

Các nguyên tử trung hoà dịch chuyển (nhóm nhiệt hoá)

Ở nhiệt độ phòng (~25 độ C = 298K), tốc độ trung bình của một nguyên tử agon là 350 m/s,

Tại áp suất 1 Torr (~130 Pa), thông lượng ngẫu nhiên của nguyên tử argon ở nhiệt độ phòng là 2 × 10^(25) nguyên tử/(m^(2)* s),

Tại áp suất 1 Torr, khoảng cách dịch chuyển bởi một nguyên tử argon giữa các va chạm sẽ bằng trung bình của chúng và vào khoảng 0,11 mm,

Các tần số va chạm giữa các nguyên tử khí trong điều kiện nhiệt độ phòng là 3,5 × 10^(6) (1/s),

Một dòng chảy của các nguyên tử trung hoà phát sinh khi có được sự chênh lệch “gradient” trong áp suất (ví dụ sự chênh lệch trong mật độ và/hoặc nhiệt độ).

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.