Tài liệu 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 hòa về điện, trong đó bao gồm các hạt mang điện, kể cả các hạt trung hòa, các hạt này mang tính tập hợp. Các điều kiện tồn tại plasma. + Giả trung hòa về điện Z n 0 e ,i e , i + Bán kính Debeye phải nhiều lần nhỏ hơn kích thước của miền chứa tập hợp. D << L 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 không ảnh hưởng đến vật liệu khối; có thể trở thành môi 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 quá 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 HÓA • 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 thoát ra từ catôt sau khi đi được quãng đường d, ion hóa chất khí do đó ta có số ion được sinh ra là: d e 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 d ra  e 1 ion đập vào catôt 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 e d n  n0 1   (e d  1) Từ đó, ta được mật độ dòng anôt là: d e i a  i0 d 1   (e  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 ngoài, 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    e Với : d  1  e d 0 Vm  E E   pf  ;  ( );Em  p d  p 1  e Vm ( ) pd V  pdf m   pd  Thế mồi phóng điện không phụ thuộc vào p, d riêng biệt mà phụ thuộc vào tích pd 13 ĐỊNH LUẬT PASEN Các phương pháp làm giảm thế mồi Vm 1.Dùng kim loại có công thoát nhỏ làm cathode 2. Dùng hỗn hợp khí Penning 3. Nhờ nguồn tác động bên ngoài: 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 KHÔNG ĐÀN HỒI 15 VA CHẠM ĐÀN HỒI Va chạm đàn hồi: là loại va chạm không 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 KHÔNG ĐÀN HỒI Va chạm không 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 An+ + M → A(n-1)+ + M+ An+: ion nhanh có n điện tích M: nguyên tử hay phân tử khí A(n-1)+: ion chậm có (n-1) điện tích Quá trình này có một ý nghĩa là ion có năng lượng cao có thể biến thành nguyên tử trung hòa và ion có năng lượng thấp hình thành trong plasma. 17 SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA Hai quá 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 trò quan trọng trong môi trường áp suất lớn. 19 CẤU TẠO • ỐNG PHÓNG ĐIỆN • HAI ĐIỆN CỰC • Starter (“Con chuột”) • Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô): 20