Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu quang phổ phát xạ của Plasma ở áp suất khí quyển (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM TUẤN HƯNG

NGHIÊN CỨU QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA
PLASMA Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN, 10/2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM TUẤN HƯNG

NGHIÊN CỨU QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA
PLASMA Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN


Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 84 40 110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HẢO

THÁI NGUYÊN, 10/2018


i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy
giáo, TS. Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp
đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô, tập thể cán bộ
khoa Vật lý và Công nghệ, trường ĐHKH Thái Nguyên, các thầy cô và anh chị ở
khoa Công nghệ Sinh học, trường ĐHKH Thái Nguyên đã tạo điều kiện và giúp
đỡ em trong việc thử nghiệm vi sinh để hoàn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Đỗ Hoàng Tùng và tập thể
cán bộ Phòng Công nghệ plasma, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em trong thực nghiệm đo đạc,phân tích phổ và hoàn
thành luận văn.
Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động
viên em trong suốt quá trình học tập.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2018
Học viên

Phạm Tuấn Hưng


ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................vi


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ ............................................................. vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN ......................3
1.1. Tổng quan về vật lý plasma ..................................................................................3
1.1.1. Plasma là gì? ..................................................................................................3
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma ...................................................................4
1.1.3. Phân loại plasma ............................................................................................ 5
1.1.3.1. Plasma nhiệt và phi nhiệt.........................................................................5
1.1.3.2. Plasma tự nhiên và nhân tạo ....................................................................7
1.1.3.3. Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu ...............................................9
1.2. Plasma ở áp suất khí quyển .................................................................................10
1.2.1. Phân loại các nguồn plasma ở áp suất khí quyển .........................................10
1.2.2. Các nguồn plasma ở áp suất khí quyển ........................................................11
1.2.2.1. Phóng điện tần số thấp và DC ............................................................... 11
1.2.2.2. Phóng điện RF .......................................................................................12
1.2.2.3. Plasma gây ra do vi sóng .......................................................................13
1.2.3. Plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ .......................... 14
1.2.4. Plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt động học cục bộ (nonLTE) .......................................................................................................................16
1.3. Ứng dụng của plasma lạnh ở áp suất khí quyển .................................................17


iii

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ..................................................................................19
2.1. Giới thiệu về nguồn phát plasma ở áp suất khí quyển ........................................20
2.1.1. Nguyên tắc hoạt động chung ........................................................................20
2.1.2. Cấu tạo .........................................................................................................21
2.2. Máy quang phổ ...................................................................................................26
2.3. Đo đặc trưng điện của plasma.............................................................................27
2.4. Đo phổ phát xạ của plasma .................................................................................29
2.4.1. Lắp đặt hệ đo ................................................................................................ 29
2.4.2. Phương pháp quang phổ phát xạ quang OES...............................................32
2.4.3. Xác định nhiệt độ điện tử của plasma .......................................................... 34
2.4.4. Xác định mật độ điện tử của plasma ............................................................ 34
2.4.5. Những đo đạc thực nghiệm đã thực hiện .....................................................36
2.5. Đo cường độ UV của plasma ..............................................................................37
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 39
3.1. Kết quả đo đặc trưng điện của plasma ................................................................ 39
3.2. Kết quả đo phổ phát xạ của plasma ....................................................................39
3.2.1. Quang phổ phát xạ của plasma ....................................................................39
3.2.2. Đặc trưng phổ phát xạ phụ thuộc tốc độ dòng khí .......................................42
3.2.3. Đặc trưng phổ phát xạ phụ thuộc khoảng cách đo .......................................44
3.3. Cường độ UV của plasma ...................................................................................46
3.4. Kết quả xác định nhiệt độ điện tử của tia plasma ...............................................49
3.4.1. Đánh giá nhiệt độ điện tử thông qua bốn vạch argon đặc trưng ..................49
3.4.2. Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử vào tốc độ dòng khí ............................... 50
3.4.3. Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử theo khoảng cách đo.............................. 52
3.5. Kết quả xác định mật độ điện tử của plasma ......................................................54


iv

3.5.1. Sự phụ thuộc của mật độ điện tử theo tốc độ dòng khí ................................ 54
3.5.2. Sự phụ thuộc của mật độ điện tử theo khoảng cách đo................................ 55
KẾT LUẬN ..................................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 60


v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

OES

Optical emission spectrum

Quang phổ phát xạ quang

LTE

Local thermodynamic

Trạng thái cân bằng nhiệt động

equilibrium

lực học cục bộ

FWHM

Full Width at Half Maximum

Độ bán rộng phổ

UV

Ultra-violet

Tia cực tím

Te

Electron Temperature

Nhiệt độ electron

ne

Electron Density

Mật độ electron

PLC

Programmable logic controller

Bộ điều khiển trung tâm


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Những đặc trưng của Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt.
Bảng 1.2. Nhiệt độ và mật độ điện tử của một số loại plasma tự nhiên và nhân tạo.
Bảng 2.1. Các thông số 4 vạch phổ Argon.
Bảng 3.1. Dữ liệu phổ các vạch phổ phát xạ OH, N2, O, Ar I có liên quan. Các mức năng
lượng ban đầu, mức năng lượng cuối cùng. Sự dịch chuyển năng lượng tạo ra các vạch
phổ.
Bảng 3.2. Cường độ các vạch phổ thay đổi theo tốc độ dòng khí. Số liệu đo với khoảng
cách 5 mm từ đầu đo tới đầu plasma.
Bảng 3.3. Cường độ các vạch phổ thay đổi theo khoảng cách đo. Số liệu đo với tốc độ
dòng khí 8 lít/phút.
Bảng 3.4. Quan hệ giữa chỉ số UV và mối nguy hiểm đến sức khỏe con người.
Bảng 3.5. Mối liên quan giữa cường độ tia UV với khoảng cách chiếu tia và tốc độ dòng
khí, với L=20 mm là độ dài của chùm tia plasma phát ra ngoài khí quyển khi nguồn
plasma làm việc với tốc độ khí 10 lít/phút.
Bảng 3.6. Cường độ 4 vạch phổ đặc trưng của Argon khi nguồn hoạt động với tốc độ
dòng khí Argon là 8 lit/phút, khoảng cách đo không đổi là 5 mm.
Bảng 3.7. Sự phụ thuộc nhiệt độ electron theo tốc độ dòng khí. Khoảng cách đo cố định
là 5mm. Tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của vạch Ar 696,54 nm.
Bảng 3.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ electron theo khoảng cách đến đầu sợi quang. Tốc độ
dòng khí không đổi là 8 lit/phút. Tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của vạch Ar 696nm.
Bảng 3.9. Mật độ điện tử của plasma phụ thuộc theo tốc độ dòng khí .
Bảng 3.10. Mật độ điện tử của plasma phụ thuộc theo khoảng cách đo.


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1

Jonhannes Stark

3

Hình 1.2

Irving Langmuir

3

Hình 1.3

Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất

3

Hình 1.4

Mặt Trời có thành phần vật chất chủ yếu là Plasma

7

Hình 1.5

Bắc cực quang

7

Hình 1.6

Sét hòn

8

Hình 1.7

Tia sét

8

Hình 1.8

Tivi Plasma

9

Hình 1.9

Đèn huỳnh quang

9

Hình 1.10

Nguồn plasma phóng điện DC

12

Hình 1.11

Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma phóng điện RF

13

Hình 1.12

Một nguồn plasma RF trong thực tế

13

Hình 1.13

Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma vi sóng ECR

14

Hình 1.14

Tia sét là plasma nhiệt áp suất khí quyển

15

Hình 1.15

Hồ quang điện là plasma nhiệt áp suất khí quyển

15

Hình 1.16

Plasma lạnh là một dạng plasma phi nhiệt áp suất khí quyển

17

Hình 1.17

Ứng dụng plasma lạnh trong điều trị vết thương ngoài da

18

Hình 1.18

Ứng dụng plasma trong chế tạo các bộ phận ô tô

18

Hình 1.19

Ảnh SEM của polypropylen ban đầu (a) và sau khi xử lý plasma

19

1 phút (b);3 phút (c); 5 phút (d); 7 phút (e)
Hình 2.1

Thiết bị plasma jet PlasmaMed-01T

20

Hình 2.2

Minh họa (a) và Ảnh chụp sự phóng điện hồ quang trượt (b)

21

Hình 2.3

Sơ đồ khối cấu tạo của plasma jet hồ quang trượt, lạnh

22

Hình 2.4

Sơ đồ nguyên lý nguồn điện nuôi công suất nhỏ

22

Hình 2.5

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nguồn khí

23

Hình 2.6

Mặt cắt dọc của đầu phát chùm tia plasma

24

Hình 2.7

Mũ chụp có thể thay đổi khẩu độ

25

Hình 2.8

Chùm plasma phát ra từ nguồn plasma Med – 01T

25

Hình 2.9

Máy quang phổ Avantes AvaSpec

26


viii

Hình 2.10

Các bộ phận chính của máy quang phổ Avantes

26

Hình 2.11

Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của đầu thu tín hiệu quang công

27

nghệ CCD được ứng dụng trong máy Avantes AvaSpec
Hình 2.12

Đầu dò điện thế Tektronix

28

Hình 2.13

Dao động ký TektronixTDS 100B

28

Hình 2.14

Đầu dò dòng Extech TL620

28

Hình 2.15

Sơ đồ đo đặc trưng điện (thế và dòng) của plasma

29

Hình 2.16

Sơ đồ lắp đặt hệ đo phổ phát xạ của plasma

29

Hình 2.17

Hệ đo đã được lắp đặt xong

30

Hình 2.18

Chạy phần mềm AvaSoft dành cho máy quang phổ AvaSpec

30

Hình 2.19

Đo thử phổ ánh sáng trắng

31

Hình 2.20

Đo thử phổ phát xạ của plasma

31

Hình 2.21

Sợi quang vuông góc với cột plasma

31

Hình 2.22

Sự chuyển quỹ đạo dừng của điện tử và kèm theo phát ra photon

33

Hình 2.23

Một ví dụ về quang phổ OES thu được

33

Hình 2.24

Vị trí độ bán rộng 1/ 2 (FWHM) trên một vạch phổ

36

Hình 2.25

Máy đo tia UV hiệu UV light meter 340B

37

Hình 3.1

Đường đặc trưng thế (màu đen) và đường đặc trưng dòng (màu

38

đỏ) của plasma
Hình 3.2

Quang phổ phát xạ của plasma, khí Ar công suất nguồn 20 W,

39

tốc độ dòng khí 8 lit/phút, đường kính tia plasma 6 mm
Hình 3.3

Quang phổ phát xạ quang của plasma sử dụng khí Ar thu được

41

khi làm việc ở những tốc độ dòng khí khác nhau
Hình 3.4

Liên hệ giữa cường độ các vạch phổ điển hình của plasma với

42

tốc độ dòng khí argon
Hình 3.5

Quang phổ phát xạ quang của plasma sử dụng khí Ar thu được

43

khi làm việc ở những khoảng cách độ dài cột plasma khác nhau
Hình 3.6

Liên hệ giữa cường độ các vạch phổ điển hình của plasma với

44

khoảng cách đo
Hình 3.7

Vùng bước sóng tử ngoại UVA, UVB, UVC

45

Hình 3.8

Liên hệ giữa cường độ tia UV với khoảng cách chiếu tia

47


ix

Hình 3.9

Liên hệ giữa cường độ tia UV với tốc độ dòng khí

47

Hình 3.10

So sánh cường độ UV của plasma (cột 1) với với cường độ tia

48

UV sinh ra từ Mặt Trời (cột 2)
Hình 3.11

Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử KT (tính theo eV) vào tốc độ

50

dòng khí
Hình 3.12

Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử Te (tính theo K) vào tốc độ

50

dòng khí. Khoảng cách đo không đổi là 5 mm
Hình 3.13

Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử KT (tính theo eV) vào khoảng

51

cách đo
Hình 3.14

Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử Te (tính theo K) vào khoảng

52

cách đo
Hình 3.15

Sự phụ thuộc của mật độ electron vào tốc độ dòng khí Argon

53

Hình 3.16

Sự phụ thuộc của mật độ electron vào khoảng cách đo

54


1

MỞ ĐẦU

Plasma nhiệt độ thấp và phi nhiệt ở áp suất khí quyển là một chủ đề rất được quan
tâm trong các lĩnh vực khoa học khác nhau. Plasma jet ở áp suất khí quyển thu hút sự
chú ý lớn vì các ứng dụng tiềm năng của chúng trong nhiều lĩnh vực như xử lý bề mặt
polyme, cho các ứng dụng y sinh (sinh học plasma, y tế và y học cũng như xử lý vật liệu
và công nghệ nano) và kiểm soát ô nhiễm [1, 2]. Đặc biệt, các ứng dụng y sinh học của
plasma jet đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng gần đây. Vì thiết bị plasma tạo ra
các chùm plasma ngay trong không khí ở áp suất khí quyển (hơn là trong khoảng cách
phóng điện giới hạn), chúng có thể được sử dụng để điều trị trực tiếp và không có giới
hạn về kích thước của đối tượng được xử lý [3, 4]. Một trong những điều kiện tiên quyết
cho ứng dụng y sinh học là plasma jet làm việc ở gần nhiệt độ phòng và mang dòng điện
thấp dưới áp suất trung bình [5]. Cho đến nay, các ứng dụng như điều trị ung thư [6-8],
khử trùng, tẩy trắng răng, đông máu và chữa lành vết thương [9-11] đã được chứng
minh.
Do tính chất điện và hóa học của chúng, sự phóng plasma trong không khí là sự
tổng hợp của các loại điện tích, các photon năng lượng và các gốc tự do vào môi trường
xung quanh. Plasma phi nhiệt ở áp suất khí quyển, cũng được gọi là plasma lạnh, được
định nghĩa là một mức độ thấp của khí bị ion hóa. Sự tương tác của plasma phi nhiệt với
các bề mặt là một chủ đề được nghiên cứu rất sâu và rộng trong nhiều thập kỷ. Cả plasma
áp suất khí quyển và plasma áp suất thấp đã được sử dụng rộng rãi để sửa đổi và chức
năng hóa một lượng lớn các bề mặt bao gồm polyme và vật liệu sinh học [12–17]. Sự
hiểu biết tính chất vật lý của các quá trình tương tác bề mặt-plasma biên đã trở thành
một chủ đề quan trọng cơ bản.
Để sử dụng plasma này trong các ứng dụng trong công nghiệp, y sinh và môi
trường một cách hiệu quả, cần phải biết các thông số plasma như thành phần hóa học,
các loại hoạt tính của plasma, nhiệt độ electron (Te) và mật độ điện tử (ne) [18, 19]. Để
xác định nhiệt độ điện tử và mật độ electron của plasma áp suất thấp, phép đo thăm dò
điện hoặc đầu dò Langmuir được sử dụng rộng rãi [20, 21]. Tuy nhiên, lý thuyết thăm
dò cho plasma áp suất khí quyển có một tần số va chạm trung hòa - điện tử lớn vẫn chưa
được thiết lập. Việc áp dụng phép đo thăm dò vào plasma áp suất khí quyển là khó khăn


2

do khoảng cách giữa các điện cực nhỏ và do vấn đề liên quan đến tải nhiệt lớn và nhiễu
tần số cao [22]. Vì vậy, thay thế cho phép đo dò điện, phương pháp quang phổ phát xạ
quang học OES được sử dụng rộng rãi để đo các thông số plasma bên trong (Te và ne)
dưới môi trường áp suất khí quyển [23]. Các kỹ thuật dựa trên phát xạ quang học là
không xâm lấn và chỉ cần thiết bị quang phổ vừa phải [24, 25]. Chính vì những lí do
trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí quyển”.
Mục tiêu của luận văn: Nghiên cứu quang phổ phát xạ để tìm hiểu thành phần
hoạt tính và các đặc trưng của plasma ở áp suất khí quyển.
Nội dung luận văn: Luận văn được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp
thực nghiệm, đo đạc phân tích số liệu thu được từ quang phổ phát xạ của plasma áp
suất khí quyển để xác định:
- Thành phần hoạt tính có trong plasma áp suất khí quyển.
- Đặc trưng điện và đặc trưng phổ phát xạ
- Nhiệt độ electron trong plasma áp suất khí quyển.
- Mật độ electron trong plasma áp suất khí quyển.
Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận được chia làm 3 chương như
sau:
+ Chương 1. Tổng quan về plasma áp suất khí quyển
+ Chương 2. Thực nghiệm
+ Chương 3. Kết quả và thảo luận


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

1.1. Tổng quan về vật lý plasma
1.1.1. Plasma là gì?
Cơ sở của ngành vật lý plasma có công đóng góp rất lớn của hai nhà vật lý Stark
và Langmuir. Năm 1902, nhà Vật lý học người Đức Jonhannes Stark đã cho ra đời cuốn
sách lý thuyết vật lý đầu tiên đầy đủ nhất về khí tích điện (Die Elektrizitaet in Gasen)
và nhờ đó ông được nhận giải Nobel vật lý năm 1919 [28]. Sau đó đến năm 1923, nhà
bác học Irving Langmuir (1881-1957) khám phá ra “dao động Plasma” trong chất khí
bị ion hóa và đến năm 1928 ông là người đầu tiên chính thức đưa ra thuật ngữ “Plasma”
cho ngành Vật lý [1].

Hình 1.1. Jonhannes Stark

Hình 1.2. Irving Langmuir

Trong trạng thái plasma đa số phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân. Các
electron không còn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nữa nên chuyển động tương đối tự do
giữa các hạt nhân. Plasma không phải là vật chất phổ biến trên Trái đất nhưng các nghiên
cứu cho thấy 99 % vật chất đã phát hiện trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Plasma
được coi là trạng thái đầu tiên của vật chất trong vũ trụ [1].

Hình 1.3. Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất


4

Khi cung cấp năng lượng cho một chất rắn, sự chuyển động của những nguyên
tử hoặc phân tử tăng lên làm vật chất chuyển sang trạng thái lỏng, sau đó thành trạng
thái khí. Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cao hơn nữa thì quá trình va chạm giữa các
hạt trong chất trở nên đủ mạnh khiến các hạt vỡ thành từng phần tạo thành các hạt mang
điện tích là các electron và ion [2]. Trạng thái này được gọi là Plasma hay “trạng thái
thứ tư” của vật chất, ba trạng thái trước đó lần lượt là rắn, lỏng và khí [1].
Plasma xét trên toàn thể là hệ trung tính về điện tích vì trong tổng thể khối Plasma
có số lượng cân bằng nhau giữa điện tích âm và điện tích dương. Một đặc trưng đáng kể
đến đầu tiên của Plasma là các hạt tích điện và có năng lượng cao. Do đó môi trường
Plasma có thể phát ra ánh sáng từ bức xạ hồng ngoại với bước sóng vài trăm micromet
tới bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại. Plasma ở nhiệt độ cao thậm chí còn có thể
bức xạ một số bức xạ bước sóng ngắn hơn cả tia tử ngoại [1].
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma
Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thí
nghiệm và trong công nghiệp nhờ hệ thống thiết bị máy móc hiện đại, tạo cơ hội cho
việc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, laser, đèn huỳnh
quang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô bệnh và nhiều ứng dụng khác. Rất nhiều
các bộ phận của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay được sản xuất dựa trên công nghệ
plasma. Nói chung, plasma có ba đặc tính quan trọng để đưa vào ứng dụng:
- Nhiệt độ và mật độ năng lượng của một vài thành phần hạt trong plasma có thể
vượt quá khả năng của công nghệ tạo nhiệt thông thường. Nhiệt độ của plasma có thể
dễ dàng vượt qua mức 10.000 K nên trong một số lĩnh vực sản xuất công nghiệp đòi hỏi
môi trường nhiệt độ cao duy trì liên tục thì plasma là lựa chọn có thể nghĩ đến đầu tiên
[1]. Ví dụ, làm gốm tan chảy cần cung cấp cho lớp bề mặt gốm nhiệt độ trên 3000 K,
không có lựa chọn nào hợp lý hơn sử dụng nhiệt tạo ra từ plasma. Trong lĩnh vực y học,
plasma với nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn có thể dễ dàng đốt cháy và cắt các
mô bệnh mà không làm chảy máu. Trong thực tế hiện nay ứng dụng đặc tính nhiệt độ
cao và mật độ năng lượng lớn là phổ biến trong công nghệ, nghiên cứu khoa học và y
học.


5

- Bên trong plasma có các phần tử hoạt chất (electron, các ion dương và âm, các
nguyên tử và gốc tự do, các nguyên tử và phân tử bị kích thích, cũng như các photon có
dải quang phổ rộng) với mật độ lớn và nồng độ cao. Mật độ lớn và nồng độ cao các hoạt
chất là vô cùng cần thiết cho các ứng dụng plasma đóng vai trò nguồn để sinh ra tia lửa
điện và đốt cháy, sinh ra ozon để làm chất ô xi hóa [1, 20, 21]. Trong y tế, việc tạo ra
nồng độ cao các chất có thể hữu ích cho việc khử trùng các bề mặt mô sống, không khí
và nước.
- Trạng thái của môi trường plasma có thể khác xa so với trạng thái cân bằng
nhiệt động lực học. Do đó nó có thể cho phép một nồng độ rất cao các thành phần hoạt
chất có trong plasma mà vẫn duy trì nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng. Đặc tính này là riêng
biệt của plasma. Đặc tính này được sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử và
bán dẫn. Đa số các linh kiện của máy tính, điện thoại di động, tivi, đèn ánh sáng lạnh
được sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh. Đặc tính này của plasma cũng được ứng
dụng trong việc xử lý bề mặt polyme. Trong y học, plasma tạo ra môi trường hoạt chất
hóa học nồng độ rất cao khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho việc điều trị
đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khử khuẩn da
và các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trước đây điều trị
không có hiệu quả bằng các phương pháp thông thường [1, 6-9].
Ba đặc tính trên đã mở rộng phạm vi và số lượng các lĩnh vực, các ngành có thể
ứng dụng plasma. Trong thực tế hiện nay ứng dụng của plasma vẫn đang tiếp tục được
phát triển sang các ngành sản xuất khác và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên
cứu y học.
1.1.3. Phân loại plasma
1.1.3.1. Plasma nhiệt và phi nhiệt
Cách phân loại Plasma quan trọng nhất là phân loại theo tính chất nhiệt động của
hệ Plasma. Theo quan điểm này Plasma bao gồm Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt.
Plasma nhiệt là plasma cân bằng nhiệt động [1, 29], nghĩa là nhiệt độ electron cân bằng
với nhiệt độ của các ion khác có trong plasma. Plasma phi nhiệt là plasma không cân
bằng nhiệt động, nghĩa là nhiệt độ electron cao hơn nhiều so với nhiệt độ các ion khác


6

có trong plasma. Trên bảng 1.1 là sơ lược về cách phân loại Plasma theo hai loại nêu
trên:
Bảng 1.1. Những đặc trưng của Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt [1].
Plasma LTE

Plasma không LTE

(Plasma nhiệt)

(Plasma phi nhiệt)

Te  Th

Te  Th

1021  1026 hạt/m3

Dưới 109 hạt/m3

Loại Plasma
Nhiệt độ
electron ( Te )
và nhiệt độ
hạt nặng ( Th )
Mật độ điện
tử
Tính
chất

Va chạm không đàn hồi giữa
Sự va chạm
giữa các loại
hạt trong
Plasma

Va chạm không đàn hồi giữa
các electron và các hạt nặng
electron và hạt nặng tạo ra
tạo ra những dạng phản ứng
dạng hóa Plasma. Những hạt
Plasma. Trong khi đó những
nặng bị làm nóng nhẹ nhờ
va chạm đàn hồi không làm
một số va chạm đàn hồi. Do
nóng các hạt nặng. Năng
đó năng lượng electron vẫn
lượng của electron bị mất dần
được duy trì ở mức cao.
đi.
Ở trung tâm của Plasma hồ Plasma tạo ra do hiện tượng
quang:
phóng điện phát sáng:

Te  Th  10.000K

Te  10.000K  100.000K

Th  300K  1000K
Ví dụ điển hình

Hồ quang

Plasma lạnh


7

Vì nhiệt độ điện tử trong hai loại plasma trên có sự khác biệt lớn nên người ta
còn gọi plasma nhiệt là plasma nóng và gọi plasma phi nhiệt là plasma lạnh.
1.1.3.2. Plasma tự nhiên và nhân tạo
Trong vũ trụ, hầu hết vật chất đều ở dạng Plasma. Các nhà vật lý tính toán rằng:
99 % vật chất trong vũ trụ là ở trạng thái Plasma [1]. Đó là các vì sao, bao gồm cả Mặt
Trời và chất khí giữa các vì sao. Các phản ứng nhiệt hạch xảy ra bên trong các vì sao
chính là nguồn phát Plasma. Plasma trong vũ trụ rất khác nhau và thay đổi thể loại tùy
theo nhiệt độ; ví dụ từ những ngôi sao rất nóng, có mật độ vật chất bên trong đậm đặc
như Mặt Trời, tới hào quang Mặt Trời ít nóng hơn nhiều, tới loại nguội hơn nữa như gió
Mặt trời, thậm chí tới những loại Plasma lạnh có mật độ thấp trong khoảng không giữa
thiên hà... Những vật thể vũ trụ như Trái đất và bụi vũ trụ... chỉ chiếm gần 1 % khối
lượng vũ trụ. Trái đất không ở trạng thái Plasma, nhưng cũng được Plasma bao bọc và
bảo vệ. Những lớp trên cùng của khí quyển Trái đất luôn bị các tia chiếu xạ từ Mặt Trời
và không gian tấn công và trở thành chất khí bị ion hóa - tức là Plasma. Chúng tạo thành
tầng điện ly che chở vững chắc cho Trái đất, là bức tường ngăn cản các tia tử ngoại hủy
hoại cơ thể sống có trong bức xạ Mặt Trời.

Hình 1.4. Mặt trời có thành phần vật chất

Hình 1.5. Bắc cực quang

chủ yếu là Plasma

Trái ngược với trong vũ trụ có tới 99 % vật chất tồn tại ở trạng thái plasma, vì
nhiệt độ và áp suất khí quyển Trái đất thấp nên sự hình thành plasma khó khăn hơn nhiều
dẫn tới có rất ít plasma tự nhiên gần Trái đất. Chỉ trong những điều kiện bất bình thường


8

mới thấy có plasma tự nhiên, tiêu biểu như tia sét trong những cơn giông bão, sét hòn
và Bắc cực quang ở các nước phương bắc gần vành đai bắc cực.

Hình 1.6. Sét hòn

Hình 1.7. Tia sét

Các nhà khoa học ước tính rằng, cứ mỗi giây trên khắp địa cầu lại có khoảng 100
tia sét từ các đám mây phóng xuống đất hoặc giữa các đám mây tích điện với nhau [1,
29]. Những thiên thạch và sao băng khi rơi xống Trái đất với một tốc độ rất lớn sẽ nén
các thành phần của không khí thành mật độ rất cao và động năng đặc biệt lớn đó sẽ
chuyển thành nhiệt năng khiến các phân tử khí bị chia cắt và bị ion hóa, tạo thành plasma.
Nguyên nhân khiến plasma thiên nhiên không phổ biến trên Trái đất là do plasma
thường được tạo thành ở nhiệt độ cao mà nhiệt độ ở Trái đất quá thấp để có thể hình
thành plasma.
Có thể tạo ra plasma nhân tạo trên bề mặt Trái đất, trong phòng thí nghiệm và
trong công nghiệp. Trong một vài hoàn cảnh con người có thể đã tiếp xúc với plasma
mà không phải ai cũng biết đó là plasma. Rất ít người chưa từng thấy loại plasma được
tạo trong ống chân không yếu trong đèn neon, đèn huỳnh quang, hay loại ánh sáng chói
lòa của hồ quang điện khi hàn. Đó là plasma được tạo ra để phục vụ đời sống con người
và sản xuất. Mỗi chất khí thích hợp khi có dòng điện chạy qua có thể biến thành plasma,
plasma này phát sáng và màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của chất khí đó.
Plasma neon phát ra ánh sáng màu đỏ cam, plasma argon có màu xanh da trời [1]. Ta có
thể nhận được ánh sáng có màu bất kỳ chỉ cần nhờ đến plasma argon, neon và thành
phần vật chất phát quang thích hợp phủ bên trong ống đèn. Khi plasma hơi thủy ngân
trong ống phóng điện cung cấp các tia tử ngoại thì các chất phát quang tùy theo thành
phần của mình sẽ phát ra ánh sáng rất giống ánh sáng ban ngày. Ngoài ra, plasma còn


9

được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật như: plasma nắn thẳng
dòng điện, plasma làm ổn định điện áp, plasma khuếch đại tần số siêu cao của máy phát
sóng, máy đếm hạt vũ trụ.

Hình 1.8. Tivi plasma

Hình 1.9. Đèn huỳnh quang

Bảng 1.2. Nhiệt độ và mật độ điện tử của một số loại plasma tự nhiên và nhân
tạo.

1.1.3.3. Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu
Căn cứ vào độ ion hóa người ta phân loại plasma ra làm hai loại là: plasma ion
hóa hoàn toàn và plasma ion hóa ion hóa yếu (hay còn gọi là plasma ion hóa một phần).


10

Độ ion hóa của plasma thể hiện các thành phần mang điện (ví dụ các ion dương)
được đánh giá theo công thức sau [29]:



ne
ne  n0

(1.1)

trong đó, n0 là mật độ chất trung tính (chất trung hòa về điện).
Plasma ion hóa hoàn toàn là plasma có hệ số ion hóa đạt mức độ cao nhất bằng
1 tương ứng với tỉ lệ các ion trong plasma đạt 100 %. Trường hợp ion hóa hoàn toàn
thường xảy ra ở plasma nhiệt độ cao. Lúc này tính chất của plasma được xác định bởi
tính chất của điện tử và ion chứa trong nó. Trường hợp plasma nhiệt độ cao ion hóa hoàn
toàn xảy ra ở nhiệt độ rất cao như trong tâm mặt trời, trong các phản ứng nhiệt hạch.
Trường hợp plasma nhiệt độ thấp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra trong phóng
điện ẩn và phóng điện hồ quang.
Trong khối plasma ion hóa hoàn toàn chỉ gồm các ion và electron, không có hạt
trung hòa về điện. Plasma ion hóa hoàn toàn thường xảy ra với trường hợp của plasma
nhiệt hay plasma nóng ở nhiệt độ cao và áp suất lớn.
Ngược lại, plasma ion hóa yếu là plasma có hệ số ion hóa thấp (  1) . Loại
plasma này thường xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất không cao. Trong khối
plasma ion hóa yếu xuất hiện cả các ion, electron và các hạt trung hòa về điện. Tỉ lệ giữa
các hạt mang điện và các hạt trung hòa phụ thuộc vào độ ion hóa  của plasma. Plasma
loãng (ion hóa yếu) có độ ion hóa  khoảng 10-6. Plasma ion hóa yếu thường xảy ra với
plasma phi nhiệt hay plasma lạnh ở áp suất thường hoặc áp suất thấp.
1.2. Plasma ở áp suất khí quyển
1.2.1. Phân loại các nguồn plasma ở áp suất khí quyển
Các nguồn plasma nhân tạo ở áp suất khí quyển được tạo ra bằng cách tiếp năng
lượng cho vật chất. Năng lượng để phát plasma có thể ở nhiều dạng năng lượng khác
nhau. Plasma mất đi năng lượng vào môi trường xung quanh do quá trình va chạm và
phát xạ ánh sáng. Do đó cần cung cấp năng lượng một cách liên tục để quá trình tạo ra
plasma diễn ra một cách liên tục. Sử dụng điện năng là cách đơn giản nhất để cung cấp
năng lượng một cách liên tục, dễ kiểm soát độ chính xác về các thông số năng lượng.


11

Chính vì vậy điện năng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong việc tạo ra plasma
nhân tạo.
Phương pháp thông dụng nhất để phát plasma trong công nghệ là cung cấp năng
lượng điện cho chất khí trong một buồng phản ứng plasma. Điện tử sản sinh trong quá
trình phát plasma sẽ được gia tốc trong điện trường ngoài và quá trình truyền năng lượng
xảy ra do có sự va đập của chúng với các hạt khác trong khối plasma. Sử dụng trường
điện từ cao tần trong dải tần số radio (RF) hoặc trong dải vi sóng (microwaves) để phát
plasma thu hút được sự quan tâm lớn cùa các nhà khoa học, công nghệ và được ứng
dụng trong nhiều quá trình hóa học plasma.
Có thể kể đến một số nguồn plasma phổ biến như sau:
- Nguồn plasma phóng điện corona.
- Nguồn plasma phóng điện rào cản điện môi DBD.
- Nguồn plasma phóng điện phát sáng DC và AC.
- Nguồn plasma phóng điện RF.
- Nguồn plasma phóng điện nguồn vi sóng
1.2.2. Các nguồn plasma ở áp suất khí quyển
1.2.2.1. Phóng điện tần số thấp và DC
Phóng điện phát sáng DC bình thường ở áp suất thấp giữa hai tấm điện cực trong
ống trụ thủy tinh là nguyên mẫu đầu tiên về phóng điện DC và đã được nghiên cứu mạnh
mẽ từ khoảng 100 năm nay. Loại phóng điện DC này thể hiện ở đặc trưng ánh sáng dạ
quang. Phần sáng nhất của phóng điện là lớp sáng âm, chúng được tách ra khỏi catốt
qua một khoảng không gian tối. Giọt điện thế lớn trong khoảng tối catốt được gọi là sự
sụt thế catốt. Cột dương và lớp sáng âm mở rộng về phía anốt và anốt cũng có thể được
bao phủ bằng quầng sáng anốt. Các ion dương sẽ được gia tốc mạnh bởi một điện trường
cao ở vùng sụt thế catốt nên có động năng rất lớn. Chúng chuyển động va chạm vào bề
mặt catốt và tạo ra các điện tử thứ cấp. Các điện tử này tiếp tục được gia tốc bởi điện
trường của vùng sụt thế catốt và chuyển động va chạm với các hạt nặng gây ra sự kích
thích và ion hóa. Sự va chạm của các ion năng lượng cao với bề mặt sẽ tạo thành các
nguyên tử trung hòa và tiếp tục tạo ra điện tử thứ cấp được gia tốc ở vùng sụt thế catốt.


12

Ở khoảng tối catốt và quầng sáng điện tích âm, điện tử truyền hầu hết năng lượng của
chúng cho các hạt nặng trong các va chạm không đàn hồi nhờ quá trình kích thích và
phân ly, đồng thời truyền cho các hạt mang điện mới được hình thành do ion hóa vì va
đập. Vùng phóng điện gần catốt (sự sụt thế catốt và vầng sáng điện âm) rất cần thiết cho
sự tự duy trì bền vững phóng điện phát sáng [1].

Hình 1.10. Nguồn plasma phóng điện DC

1.2.2.2. Phóng điện RF
Plasma phóng điện phát sáng tần số radio (RF-GD) là một trong các nguồn
plasma được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ xử lý bề mặt vì nó có thể tạo ra một
thể tích lớn plasma bền vững. Phóng điện RF được phân chia thành hai loại tùy thuộc
vào cách lắp đặt nguồn RF nối với tải: mắc nối cảm ứng hay mắc nối điện dung. Cả hai
loại đều có thể sử dụng điện cực trong hay điện cực ngoài. Sử dụng điện cực ngoài là
kiểu mắc được sử dụng rộng rãi cho nguồn RF. Trong phóng điện RF mắc nối điện dung,
các điện cực được bao phủ bởi một vùng bao bọc bên ngoài tương tự như vùng tối catôt
trong phóng điện phát sáng DC. Khối plasma nằm trong khu vực ở giữa các điện cực.
Plasma RF mắc nối cảm ứng được sinh ra qua một điện trường do dòng RF tạo ra trong
một cuộn cảm ứng. Sự thay đổi từ trường trong cuộn cảm ứng này tạo ra một điện trường
làm gia tốc điện tử của plasma.
Thông thường, phóng điện phát sáng RF sử dụng tần số 13,56 MHz, áp suất trong
quá trình phóng điện nằm từ 10-3 đến 100 Torr. Mật độ điện tử trong phóng điện phát


13

sáng RF ở áp suất thấp (10-3 đến 1 Torr) dao động từ 109 đến 1011 cm-3, còn ở áp suất
trung bình (10-100 Torr) có thể đạt 1012 cm3 [1, 29]. Nhiệt độ điện tử là nhiều eV và
nhiệt độ ion rất thấp. Plasma RF có độ đồng nhất tương đối tốt. Plasma RF được ứng
dụng rất thành công trong công nghệ lắng đọng màng mỏng tăng cường bằng plasma,
khắc bằng phương pháp ăn mòn plasma và trong phún xạ vật liệu điện môi.

Hình 1.11. Sơ đồ cấu tạo nguồn
plasma phóng điện RF

Hình 1.12. Một nguồn plasma RF trong
thực tế

1.2.2.3. Plasma gây ra do vi sóng
Một số hạn chế trong các phương pháp tạo plasma bằng điện đã dẫn đến sự phát
triển của plasma không điện, trong đó plasma vi sóng là dạng đơn giản nhất. Trong hệ
thống này, năng lượng vi sóng được cung cấp cho khí plasma từ buồng kích thích xung
quanh một ống thủy tinh hoặc thạch anh, dòng plasma dưới dạng một vòng được tạo ra
bên trong ống. Tuy nhiên, dù đạt được mật độ công suất rất cao nhưng nhiệt độ kích
thích cao chỉ tồn tại dọc theo vị trí sợi filament trung tâm. Các nguồn plasma vi sóng
không bao giờ nóng hơn 3000 K.


14

Hình 1.13. Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma vi sóng ECR

Có thể tạo plasma mật độ cao ở áp suất thấp, thông thường ở trong khoảng từ 105

đến 10-3 Torr. Mật độ điện tử dễ đàng đạt được 1011 cm-3 và điểm đặc biệt là có thể có

mật độ điện tử tối đa (cao hơn 1012 cm-3) ở áp suất thấp. Tình trạng điện tích ion lớn vì
có tần suất va đập cao giữa ion và điện tử. Tuy nhiên, phân bố plasma không thật đều
[1].
1.2.3. Plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ
Ở áp suất khí quyển, plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ
(LTE) cũng mang những tính chất cơ bản nhất của plasma nhiệt nói chung. Tuy nhiên,
plasma nhiệt ở áp suất khi quyển có những những đặc điểm hơi khác với plasma nhiệt
nói chung. Có thể kể đến những đặc điểm của plasma nhiệt áp suất khí quyển:
Độ ion hóa không phải lúc nào cũng đạt 100 % như chuẩn plasma ion hóa hoàn
toàn. Nhìn chung, độ ion hóa của plasma nhiệt áp suất khí quyển chỉ tiệm cận mức ion
hóa hoàn toàn [29].
Mật độ điện tử thấp so với một số plasma nhiệt áp suất cao. Ví dụ mật độ điện tử
khoảng 1018 m-3 đối với hồ quang ở áp suất thấp [29]. Tuy nhiên, mật độ điện tử đủ lớn
để làm giảm điện trở suất của plasma nhiệt áp suất khí quyển. Mật độ điện tử đủ lớn sẽ
tạo điều kiện cho quá trình cân bằng nhiệt động diễn ra nhanh do xác suất va chạm giữa
các hạt cao.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×