Plazmové technologie (část 1)

Plazmové technologie (část 1)

prof. Václav Černý

1. Úvod

Plazma je považováno za čtvrtý stav látky s posloupností: pevná fáze, kapalina, plyn, plazma. Plazma je zpravidla tvořeno kladnými ionty¹⁾ a elektrony²⁾. Kladné ionty mají jen jeden elementární náboj. V úplně ionizovaném plazmatu jsou všechny částice ionizovány. Na rozdíl od plynu má plazma velkou tepelnou kapacitu i vodivost a podléhá účinkům elektrického i magnetického pole. Teplota částečně ionizovaného plazmatu činí 5 až 15 kK a plně ionizovaného plazmatu až 100 kK. Střední energii plazmatu lze vyjádřit v elektronvoltech³⁾ (eV), přičemž platí:

1 eV = 11,6 kK = 1,602·10^–19 J

Závislost mezi kinetickou energií elektronu a jeho teplotou lze vyjádřit vztahem:

U_e = 0,5mv² = 1,5kT

kde m je hmotnost elektronů, v rychlost elektronů, U_e energie plazmatu, T teplota plazmatu a k Boltzmanova konstanta (1,38·10^–23 J·K–1).

Plazmové generátory se dělí na:

• plazmové generátory s elektrodami,
• plazmové generátory s vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem.

Obr. 1. Principiální schéma plazmových generátorů s elektrodami (1 – wolframová tyčová katoda, 2 – měděná anoda s vodním chlazením, 3 – zpracovávaný materiál, 4 – vnější anoda, 5 – vnitřní anoda, 6 – plazma)

U generátorů s elektrodami vzniká plazma mezi dvěma elektrodami připojenými na stejnosměrný zdroj (obr. 1). Elektrody jsou obvykle z wolframu, pracovním plynem je kyslík. Na obr. 1a je plazmový generátor s vyfukovaným výbojem a přímým připojením na stejnosměrný zdroj, na obr. 1b plazmový generátor se stejnosměrným zdrojem paralelně připojeným na anodu a zpracovávaný materiál, na obr. 1c plazmový generátor se samostatným přívodem pomocného plynu (argonu) a pracovního plynu (CO₂, H₂, N₂). Tyto generátory se běžně používají při nanášení materiálu, svařování a řezání. Přídavný materiál je přiváděn ve formě prášku nebo drátu. Elektrody jsou však také zdrojem nečistot, a proto tyto generátory nejsou vhodné pro technologie, kde je vyžadována vysoká čistota. Téměř s absolutní čistotou pracují vysokofrekvenční indukční generátory, tzv. plazmatrony.

2. Vysokofrekvenční indukční plazma

Vysokofrekvenční indukční plazma (ICP – Inductivity Coupled Plasma) je moderní metoda rozkladu vzorku a excitace atomů pomocí plazmatu, která zaručuje vysokou čistotu výroby. Tato technologie se prosazuje zejména v průmyslu, ale i ve veřejné a občanské oblasti. Uplatňuje se při vytváření potahů z plastů, při svařování armatur, úpravě povrchů ocelových plechů, při vývoji nových materiálů, zlepšování jejich vlastností, povrchové úpravě, recyklaci materiálů, zpracování odpadu a v medicínském oboru při dezinfekci a likvidaci nemocničních odpadů. Obecné uplatnění plazma nachází v osvětlovacích a informačních systémech a při ozonové úpravě vody. Důležitý význam má plazma s teplotou nad 10 kK (tzv. vysokoteplotní plazma) při tavení materiálů s vysokou teplotou tání.

Obr. 2. Princip plazmatronu (1 – pracovní plyn, 2 – centrální plyn, 3 – obalový plyn, 4 – přívodní trubka pracovního prášku, 5 – indukční cívka na obalové rouře, 6 – trysk plazmatu)

Na obr. 2 je zobrazen princip vysokofrekvenčního indukčního plazmatronu. Dopravní (pracovní) plyn (1) a obalový plyn (3) mají samostatné přívody oddělené od roury s centrálním plynem (2).

Obalová roura firmy TEKNA Plasma Systems Inc. (tab. 1 plazmatron 1) je keramická s vodním chlazením. Ohraničuje prostor plazmatu a odděluje od sebe přiváděné plyny. Na obalové rouře je epoxidovou pryskyřicí upevněna indukční cívka. Firma FG Plasma- und Oberflächentechnik (tab. 1 plazmatron 2) používá pro přívod centrálního a obalového plynu rouru z křemenného skla. To umožňuje sledování plazmatu i dráhy práškových částic v něm.

(pokračování)

¹⁾ Iont (též ion) je elektricky nabitá částice vytvořená z neutrálního atomu, resp. molekuly, ztrátou (vzniká kation) či získáním (vzniká anion) jednoho nebo více elektronů.

²⁾ Elektron je stabilní elementární částice (fermion) bez vnitřní struktury se záporným elementárním elektrickým nábojem e = 1,602·10^–19 C. Klidová hmotnost elektronu je m_e = 9,109·10^–31 kg. V atomech tvoří elektrony tzv. elektronový obal, jehož prostřednictvím atomy chemicky reagují s jinými částicemi.

³⁾ Elektronvolt je vedlejší jednotka soustavy SI pro energii. 1 eV je energie udělená částici s elementárním elektrickým nábojem potenciálním rozdílem 1 V.