Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng bề mặt khi cắt bằng tia plasma

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi §Æng hång th¸i ®Ò tµi: Nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña mét sè th«ng sè ®Õn chÊt l­îng bÒ mÆt khi c¾t b»ng tia plasma LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Chuyªn nghµnh: C«ng nghÖ c¬ khÝ Hµ néi Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Chuyªn Nghµnh: C«ng nghÖ c¬ khÝ Nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña mét sè th«ng sè ®Õn chÊt l­îng bÒ mÆt khi c¾t b»ng tia plasma §Æng hång th¸i H­íng dÉn khoa häc PGS.TS. ph¹m v¨n hïng Tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi Hµ néi, 2008 Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®Ò tµi luËn v¨n “Nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña mét sè th«ng sè ®Õn chÊt l­îng bÒ mÆt khi c¾t b»ng tia plasma” lµ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña t«i. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ®­îc biªn dÞch, tÝnh to¸n vµ ®o ®¹c lµ hoµn toµn ®¸ng tin cËy vµ ch­a ®­îc c«ng bè ë bÊt cø c«ng tr×nh nµo kh¸c tr­íc ®©y. Môc lôc Lêi cam ®oan Lêi nãi ®Çu Trang PhÇn I: Tæng quan vÒ plasma ............................................................ 5 1.1 LÞch sö h×nh thµnh Plasma ......................................................................... 5 1.2 Kh¸i qu¸t vÒ Plasma ................................................................................. 5 1.3 M« h×nh to¸n häc c¸c th«ng sè Plasma ..................................................... 6 1.3.1. Phản ứng đoạn nhiệt, vỏ chắn “Debye” ........................................... 9 1.3.2. §iÒu kiÖn biªn ....................................................................................... 15 1.3.3. ThÝ nghiÖm Langmuir ............................................................................ 22 1.3.4. Qu¸n tÝnh tÜnh, dao ®éng cña Plasma................................................... 26 1.3.5. Sù gièng chÊt ®iÖn m«i cña Plasma ...................................................... 34 1.3.6. Sãng ©m Ion ........................................................................................... 36 1.3.7. Sãng ®iÖn tõ trong Plasma .................................................................... 41 1.3.8. §Þnh nghÜa vµ kÕt qu¶ thÓ Plasma ........................................................ 48 PhÇn II: Tæng quan vÒ c¾t kim lo¹i ............................................. 52 2.1 C¾t kim lo¹i lµ g× ? .......................................................................... 52 2.2C¸c ph­¬ng ph¸p c¾t hiÖn nay trªn thÕ giíi .............................................. 52 2.3 øng dông plasma ®Ó c¾t kim lo¹i .............................................................. 52 2.4 TÝnh chÊt vµ ®Æc ®iÓm cña tia plasma trong c¾t kim lo¹i ......................... 60 2.5 C¸c chØ tiªu ®¸nh gi¸ chÊt l­îng s¶n phÈm c¾t b»ng tia plasma ............. 62 2.6 ThiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ c¾t Plasma ............................................................. 63 2.6.1 ThiÕt bÞ c¾t plasma ................................................................................ 63 2.6.1.1. ThiÕt bÞ t¹o hå quang plasma (zip 5.0) ........................................ 66 2.6.1.2. ThiÕt bÞ chÊp hµnh ch­¬ng tr×nh c¾t CNC (CPM150) ................................. 74 1 2.6.2. PhÇn mÒm t¹o ch­¬ng tr×nh c¾t CNC (Tagio) ................................. 76 2.6.2.1/ PhÇn mÒm LOGOTAG ........................................................................ 76 2.6.2.2/ PhÇn mÒm MAGIC TOOL .................................................................. 77 2.6.2.3. PhÇn mÒm WINRS .............................................................................. 81 2.6.2.4 . PhÇn mÒm khiÓm tra ch­¬ng tr×nh cam (CnCTag- Rel 1.0) .......... 81 2.6.3 C«ng nghÖ c¾t Plasma ............................................................................ 83 2.6.3.1 Kh¾c phôc lçi do måi- t¾t tia Plasma ................................................. 83 2.6.3.2 C¾t c¸c gãc nhän ................................................................................. 83 2.6.3.3 Kh¾c phôc lçi do ®­êng Leadin, Leadout ........................................... 85 PhÇn III: C¸c th«ng sè ¶nh h­ëng cña qu¸ tr×nh c¾t plasma tíi chÊt l­îng bÒ mÆt c¾t ............................................. 86 3.1 ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é c¾t ....................................................................... 87 3.2. ¶nh h­ëng cña dßng ®iÖn ................................................................................................................. 88 3.3. ¶nh h­ëng cña khÝ c¾t .............................................................................. 89 3.4. ¶nh h­ëng cña tèc ®é c¾t ......................................................................... 89 3.5. ¶nh h­ëng cña chiÒu cao má c¾t tíi bÒ mÆt ph«i .................................... 90 3.6. ¶nh h­ëng cña chiÒu dµy vËt liÖu ............................................................ 90 3.7. ¶nh h­ëng cña khối l­îng vµ thời gian c¾t ............................................. 90 3.8. ¶nh h­ëng cña ®é cøng bÒ mÆt sau khi c¾t .............................................. 91 3.9. ¶nh h­ëng cña ®­êng kÝnh tia plasma ..................................................... 91 PhÇn IV: KÕt qu¶ thùc nghiÖm c¸c th«ng sè ¶nh h­ëng chÝnh cña qu¸ tr×nh c¾t plasma tíi chÊt l­îng bÒ mÆt 4.1 ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t ®é cøng (HRC) khi thay ®æi tèc ®é V vµ dßng ®iÖn c¾t I ............................................................................................ 96 2 4.2 ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t gãc nghiªng m¹ch c¾t G0 khi thay ®æi tèc ®é V vµ dßng ®iÖn c¾t I ................................................................................................. 99 PhÇn V: KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ ......................................................104 Tµi liÖu tham kh¶o Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®Ò tµi luËn v¨n “Nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña mét sè th«ng sè ®Õn chÊt l­îng bÒ mÆt khi c¾t b»ng tia plasma” lµ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña t«i. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ®­îc biªn dÞch, tÝnh to¸n vµ ®o ®¹c lµ hoµn toµn ®¸ng tin cËy vµ ch­a ®­îc c«ng bè ë bÊt cø c«ng tr×nh nµo kh¸c tr­íc ®©y. 1 Lêi nãi ®Çu Hµ néi, Ngµy 1 th¸ng 10 n¨m 2008 Ngµy nay c¸c ph­¬ng ph¸p gia c«ng c¬ khÝ ngoµi ®ßi hái ®é chÝnh x¸c h×nh häc cao cßn cÇn thªm thêi gian gia c«ng vµ chi phÝ chuÈn bÞ ph«i ph¶i gi¶m ®Õn møc tèi thiÓu. Cã nhiÒu yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn thêi gian s¶n phÈm, trong ®ã thêi gian chuÈn bÞ ph«i chiÕm kh¸ nhiÒu vµ ®«i khi chiÕm ®Ðn 70% thêi gian s¶n phÈm, theo ®ã ph­¬ng ph¸p chuÈn bÞ ph«i tèt còng gi¶m ®­îc nhiÒu chi phÝ phô. Cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p t¹o ph«i truyÒn trèng nh­ : TiÖn, phay, bµo… trong ®ã hiÖn nay ph­¬ng ph¸p c¾t Plasma ®ang ®­îc øng dông réng r·i trong c«ng nhiÖp. Ph­¬ng ph¸p c¾t nµy gióp gi¶m ®­îc 70% thêi gian , chi phÝ chuÈn bÞ ph«i so víi ph­¬ng ph¸p c¾t khÝ ch¸y. §Ó gióp cho viÖc chuÈn bÞ ph«i b»ng Plasma tèt h¬n, viÖc nghiªm cøu c¸c th«ng sè ¶nh h­ëng cña qóa tr×nh c¨t tíi chÊt l­îng m¹ch c¾t lµ mét vÊn ®Ò cÊp thiÕt hiÖn nay trong c«ng nghiÖp. C¨n cø vµo ­u ®iÓm cña ph­¬ng ph¸p c¾t Plasma còng nh­ ®iÒu kiÖn c«ng t¸c cña t«i t¹i Trung t©m thùc hµnh c«ng nghÖ c¬ khÝ- §HBK Hµ néi, d­íi sù h­íng dÉn tËn t×nh cña PGS.TS. Ph¹m V¨n Hïng. T«i ®· hoµn b¶n luËn v¨n tèt nghiÖp Cao häc cña m×nh víi ®Ò tµi: “ Nghiªn cøu sù ¶nh h­ëng c¸c th«ng sè cña qu¸ tr×nh c¾t kim lo¹i b»ng tia Plasma ®Õn chÊt l­îng bÒ mÆt c¾t”. V× thêi gian cã h¹n còng nh­ h¹n chÕ vÒ chuyªn m«n nªn b¶n luËn v¨n cña t«I kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu xãt, kÝnh mong c¸c thÇy c« bæ xung ,®ãng gãp nh÷ng ý kiÕn ®Ó b¶n LuËn v¨n cña t«I ®­îc ®Çy ®ñ h¬n. §Ó ®¹t ®­îc kÕt qu¶ nµy t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n PGS.TS. Ph¹m V¨n Hïng; Trung t©m thùc hµnh c«ng nghÖ c¬ khÝ; Phßng thÝ nghiÖm C¬- §iÖn tö; Phßng thÝ nghiÖm NhiÖt LuyÖn ®· gióp ®ì, t­ vÊn cho t«i trong qu¸ tr×nh hoµn thµnh b¶n luËn v¨n. 2 Môc lôc Lêi cam ®oan Lêi nãi ®Çu Trang PhÇn I: Tæng quan vÒ plasma ............................................................ 5 1.1 LÞch sö h×nh thµnh Plasma ......................................................................... 5 1.2 Kh¸i qu¸t vÒ Plasma ................................................................................. 5 1.3 M« h×nh to¸n häc c¸c th«ng sè Plasma ..................................................... 6 1.3.1. Phản ứng đoạn nhiệt, vỏ chắn “Debye” ........................................... 9 1.3.2. §iÒu kiÖn biªn ....................................................................................... 15 1.3.3. ThÝ nghiÖm Langmuir ............................................................................ 22 1.3.4. Qu¸n tÝnh tÜnh, dao ®éng cña Plasma................................................... 26 1.3.5. Sù gièng chÊt ®iÖn m«i cña Plasma ...................................................... 34 1.3.6. Sãng ©m Ion ........................................................................................... 36 1.3.7. Sãng ®iÖn tõ trong Plasma .................................................................... 41 1.3.8. §Þnh nghÜa vµ kÕt qu¶ thÓ Plasma ........................................................ 48 PhÇn II: Tæng quan vÒ c¾t kim lo¹i ............................................. 52 2.1 C¾t kim lo¹i lµ g× ? .......................................................................... 52 2.2C¸c ph­¬ng ph¸p c¾t hiÖn nay trªn thÕ giíi .............................................. 52 2.3 øng dông plasma ®Ó c¾t kim lo¹i .............................................................. 52 2.4 TÝnh chÊt vµ ®Æc ®iÓm cña tia plasma trong c¾t kim lo¹i ......................... 60 2.5 C¸c chØ tiªu ®¸nh gi¸ chÊt l­îng s¶n phÈm c¾t b»ng tia plasma ............. 62 2.6 ThiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ c¾t Plasma ............................................................. 63 2.6.1 ThiÕt bÞ c¾t plasma ................................................................................ 63 2.6.1.1. ThiÕt bÞ t¹o hå quang plasma (zip 5.0) ........................................ 66 2.6.1.2. ThiÕt bÞ chÊp hµnh ch­¬ng tr×nh c¾t CNC (CPM150) ................................. 74 3 2.6.2. PhÇn mÒm t¹o ch­¬ng tr×nh c¾t CNC (Tagio) ................................. 76 2.6.2.1/ PhÇn mÒm LOGOTAG ........................................................................ 76 2.6.2.2/ PhÇn mÒm MAGIC TOOL .................................................................. 77 2.6.2.3. PhÇn mÒm WINRS .............................................................................. 81 2.6.2.4 . PhÇn mÒm khiÓm tra ch­¬ng tr×nh cam (CnCTag- Rel 1.0) .......... 81 2.6.3 C«ng nghÖ c¾t Plasma ............................................................................ 83 2.6.3.1 Kh¾c phôc lçi do måi- t¾t tia Plasma ................................................. 83 2.6.3.2 C¾t c¸c gãc nhän ................................................................................. 83 2.6.3.3 Kh¾c phôc lçi do ®­êng Leadin, Leadout ........................................... 85 PhÇn III: C¸c th«ng sè ¶nh h­ëng cña qu¸ tr×nh c¾t plasma tíi chÊt l­îng bÒ mÆt c¾t ............................................. 86 3.1 ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é c¾t ....................................................................... 87 3.2. ¶nh h­ëng cña dßng ®iÖn ................................................................................................................. 88 3.3. ¶nh h­ëng cña khÝ c¾t .............................................................................. 89 3.4. ¶nh h­ëng cña tèc ®é c¾t ......................................................................... 89 3.5. ¶nh h­ëng cña chiÒu cao má c¾t tíi bÒ mÆt ph«i .................................... 90 3.6. ¶nh h­ëng cña chiÒu dµy vËt liÖu ............................................................ 90 3.7. ¶nh h­ëng cña khối l­îng vµ thời gian c¾t ............................................. 90 3.8. ¶nh h­ëng cña ®é cøng bÒ mÆt sau khi c¾t .............................................. 91 3.9. ¶nh h­ëng cña ®­êng kÝnh tia plasma ..................................................... 91 PhÇn IV: KÕt qu¶ thùc nghiÖm c¸c th«ng sè ¶nh h­ëng chÝnh cña qu¸ tr×nh c¾t plasma tíi chÊt l­îng bÒ mÆt 4.1 ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t ®é cøng (HRC) khi thay ®æi tèc ®é V vµ dßng ®iÖn c¾t I ............................................................................................ 96 4 4.2 ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t gãc nghiªng m¹ch c¾t G0 khi thay ®æi tèc ®é V vµ dßng ®iÖn c¾t I ................................................................................................. 99 PhÇn V: KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ ......................................................104 Tµi liÖu tham kh¶o 5 PhÇn I: Tæng quan vÒ plasma 1.1/ LÞch sö h×nh thµnh Plasma Tia Plasma ®­îc t¹o ra gi÷a hai ®Çu phãng cña m¸y “Wimshurst”. ThiÕt bÞ nµy ®­îc ph¸t minh ®Çu nh÷ng n¨m 1880. Trong suèt mét thêi gian dµi, tia Plasma ®­îc thö nghiÖm trong phßng thÝ nghiªm. Tr¹ng th¸i nµy cña vËt chÊt lÇn ®Çu tiªn ®­îc nhËn thÊy trong mét èng “Crookes Tube” vµ còng ®­îc m« t¶ bëi «ng William Crookes vµo n¨m 1879. B¶n chÊt cña èng “Crookes Tube” ®­îc gi¶i thÝch bëi nhµ vËt lý häc J.J. Thomson vµo n¨m 1897 vµ ®­îc ®Æt tªn “ Plasma” bëi Irving Langmuir vµo n¨m 1928 1.2/ Kh¸i qu¸t vÒ Plasma. Plasma ®­îc coi lµ tr¹ng th¸i thø t­ cña vËt chÊt tiÕp sau ba tr¹ng th¸i r¾n, láng, khÝ. Hå quang ®iÖn cã thÓ t¹o ra tõ chÊt khÝ. Tia chớp là dạng plasma xuất hiện một cách tự nhiên trên bề mặt Trái Đất. Nhiệt độ trong tia chớp có thể đạt tới 28.000 Kelvin và mật độ electron có thể lên đến 1024 trên mét khối. Plasma là một trạng thái vật chất trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. 6 Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma nguội. Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa.. Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân. Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên. 1.3/ M« h×nh to¸n häc c¸c th«ng sè Plasma Những đặc tính của môi trường được xác định bởi những quá trình biến đổi cực nhỏ của các phần tử xảy ra trong nó. Trong plasma những quá trình cực nhỏ vượt trội bởi nhiêù tương tác giữa những cặp mang điện với một khoảng cách hợp lý và một thời gian đủ lớn. Khi hai hạt mang điện gần nhau giữa chúng sẽ có tương tác lực qua lại thông qua điện trường Coulomb. Tuy nhiên khi khoảng cách giữa hai hạt tăng quá 7 tầm khoảng cách tách hạt ( n , với n là độ dày hạt mang điện ) chúng sẽ tương 13 tác đồng thời với các hạt mang điện xung quanh đó gọi là tương tác tập trung. Trong chế độ này, lực Coulomb từ bất kì hạt mang điện nào tác dụng lên các điện tích xung quanh gây lên sự dịch chuyển, do đó môi trường bị phân cực điện. Lần lượt các hạt mang điện xung quanh dịch chuyển 1 cách tập thể để sự tương tác đạt tới sự ổn định hoặc bao ngoài một điện trường sinh ra bởi một hạt mang điện bất kỳ,nó tỷ lệ với nghịch đảo bình phương khoảng cách giữa các điện tích. Trong trạng thái cân bằng tổng hợp của “đám mây các hạt mang điện” mật độ điện tích phân cực xung quanh hạt mang điện có chiều dài thang đo đựơc xác định nhờ chiều dài “ màn chắn Debye” nằm ở bên ngoài cái mà điện trường nhờ hạt mang điện tập trung bao bọc bên ngoài.Cái đó gọi là “lực giới hạn dài” của điện trường Coulomb được xác định thực sự bằng khoảng cách của các bậc chiều dài Debye trong plasma. Chiều dài plasma thực sự dài hơn trên thang chiều dài Debye plasma do phản ứng tập thể với điện tích đã cho, sự rối loạn điện tích, hay điện áp đặt điện trường. Tuy nhiên, hiệu ứng biên trở lên quan trọng trong phạm vi một vài độ dài Debye của vật liệu giới hạn hoặc liếp ngăn. Vùng ranh giới này, cái mà được gọi là vùng lớp học plasma( plasma sheath), gần như là không thể. Vật liệu cảm biến được dặt vào trong plasma, cái mà được gọi là Langmuir probes sau đó phát triển hơn( vào những năm 1920) gọi là Irving Langmuir, có thể được định thiên( tương đối với plasma) và tạo ra những dòng điện xung quanh lớp học plasma. Sự tính toán đường đặc trưng von-ampe của những bộ cảm biến như vậy có thể được sử dụng để xác định mật độ plasma và nhiệt độ electron. Nếu mật độ điện tích trong hầu như plasma bị nhiễu, cái này làm cho có một sự thay đổi trong cường độ điện trường và độ phân cực của plasma. Tuy quán tính nhỏ nhưng tập hợp của những hạt được nạp trong plasma phản ứng 8 được một cách tập thể- với vỏ chắn Debye, và dao động hoặc gợn sóng. Khi tần số đặc của sự nhiễu là đủ thấp, cả electron và ion có thể nhanh chóng chuyển tới sự nhiễu và phản ứng của chúng là đoạn nhiệt. Sau đó, chúng ta thu được hiệu ứng chắn Debye đã nói ở đoạn trên. Trong khi tần suất của những sự hỗn loạn tăng thêm, quán tính được nạp cho những hạt mang điện tích trở lên quan trọng. Khi tần số bị nhiễu loạn vượt quá một quán tính nhất định, chúng ta thu sẽ thu được một quán tính khá hơn là phản ứng đoạn nhiệt. Bởi vì ion là đặc hơn electron, quán tính của những ion có tần số đặc thường là thấp hơn nhiều so với những electron trong plasma. Những tần số trung gian- giữa electron điển hình và tần suất ion quán tính- phản ứng electron đoạn nhiệt, nhưng những ion có một đặc trưng quán tính, và toàn bộ những phản ứng plasma thông qua những sóng âm ion tương tự như những sóng âm thanh. Những tần suất cao – ở trên electron và ion tần suất quán tính- cả electron và ion đều biểu hiện những đặc trưng quán tính. Sau đó, plasma phản ứng bởi dao động một cách tập thể với tần suất xác địnhđược gọi là tần suất plasma. Những sự dao động điện tích không gian thỉnh thoảng như vậy được gọi là Langmuir dao động sau này là Irving Langmuir người đầu tiên nghiên cứu chúng vào những năm 1920. Trong chương này chúng ta rút ra được tập hợp những cơ sở trong plasma: vỏ chắn Debye, vỏ bọc plasma, dao động plasma, và sóng âm ion.Đơn giản, trong chương này chúng ta chỉ chú ý đến plasma không từ hóa-không có sự cân bằng từ tính thấm qua plasma. Vào đoạn cuối của chương này độ dài và thời gian ghép vảy với những quá trình cơ bản được sử dụng chính xác những điều kiện yêu cầu để ở trong trạng thái plasma. Thảo luận cho sự áp dụng cơ sở của những khái niệm khác nhau về hiện tượng plasma là nằm rải rác trong suốt chương này và trong những vấn đề ở cuối của chương này. 9 1.3.1. Phản ứng đoạn nhiệt, vỏ chắn “Debye” Bắt nguồn từ độ dài tấm chắn Debye và hình ảnh minh họa ý nghĩa Vật lý của nó, chúng ta có thể xem xét điện tích xung quanh 1 điện tích đơn, điện tích thử trong Plasma. Điện tích thành phần trong Plasma sẽ được coi là điện tích tự do trong chân không.Vì vậy điện thế electron trong Plasma có thể xác định từ công thức : ∇.E = −∇ 2 .Φ = ρq ε0 (Phương trình Poisson) (1.1) Trong đó E là thế điện tích và được tính bởi E=-ΔΦ (quy luật Gauss - sẽ thấy trong đoạn A.2).Mật độ điện tích ρq bao gồm 2 phần ,1 phần là điện tích thử đang được xem xét và 2 là sự phân cực của Plasma do việc kiểm tra điện tích thử trên các điện tích thành phần khác trong Plasma gây ra.việc xem xét điện tích thử của qt là điện tích điểm được đặt tại vị trí không gian Xt và do đó được thể hiện bởi δ ( x − xt ) , vì vậy mật độ điện tích có thể viết như: pq ( x= ) qt .δ .( x − xt ) + ρ pol ( x) Trong đó ρ pol (1.2) là sự phân cực mật độ điện tích . Sự phân cực mật độ điện tích có kết quả từ sự tương ứng của điện tích thành phần khác trong plasma cho đến tấm chắn điện Coulomb của điện tích thử.để làm chậm quá trình (đc so sánh với tỉ lệ thời gian theo quán tính đc xác định chính xác hơn trong công thức 1.4 ở phần sau),sự tương ứng là quá trình đoạn nhiệt.rồi mật độ điện tích thành phần( electron hoặc Ion) cùng điện tích q và nhiệt độ T trong sự có mặt của thế điện tích n( x) = n0 .e − q.Φ ( x ) T Φ ( x) được thấy ở phần A.3 - hệ thức Boltzman (qt đoạn nhiệt tương ứng) (1.3) 10 ở đây n0 là giá trị trung bình hoặc mật độ cân bằng của những điện tích không có thế.thế năng q0 của phần thử sẽ nhỏ hơn so với nhiệt năng của nó,có thể mong đợi ……..vì vậy chúng ta mở rộng 1.3 với giả thiết qΦ/T<< 1 (ứng với quá trình đoạn nhiệt bị đảo lộn) (1.4) giá trị của phấn mở rộng sẽ đc kiểm tra bởi tính chất đến sau a – phần cuối của đoạn. Để thu đc sự phân cực về mật độ điện tích như mong muốn do ảnh hưởng của sự thế Φ ρ pol gây ra trên tất cả các điện tích thành phần trong Plasma,chúng ta mở rộng bằng điện tích q cho mỗi loại (s=e, I đối với electron và ion) của điện tích thành phần và tổng số loại đạt đc: ρ pol n0 s .qs2  q .Φ  ≡ ∑ ns qs = −∑ .Φ 1 + O.( s )  Ts Ts  s i =1  n (1.5) trong đó O chỉ ra trật tự của điều kiện tiếp theo trong 1 chuỗi mở rộng. Trong kết quả thu được này, chúng ta sử dụng thực tế trung bình của Plasma trung hòa về điện tích : ∑n 0s qs = 0 ,điều kiện trung hòa (1.6) s Chỉ giữ lại bậc thấp nhất,từ mật độ điện tích phân cực tuyến tính ở (1.5) đem thay thế trong (1.2), và sử dụng kết quả tổng mật độ điện tích trong phương trình Poison (1.1) , ta có: qt 1 (−∇ + = )φ δ ( x − xt ) 2 λD ε0 (1.7) 11 Trong đó 1 λD2 được sinh ra do sự phân cực của plasma, ở đây λD là độ dài sự che chắn Debye: 1 λD2 ≡∑ s 1 λD2 ≡∑ s s n0s qs2 ε 0Ts = 1 λD2 e + 1 λD2 i = n0s e 2 ε 0Te + n0s Z i2 e 2 ε 0Ti , độ dài Debye plasma (1.8) Ở trong biểu thức cuối cùng chúng ta có được 1 plasma bao gồm nhiều electron với mật độ n0e và chỉ 1 loại ion với điện tích Zi e va có mật độ là n0i .Chú ý rằng để nhiệt độ của electron và ion là tương quan thì độ dài Debye của chúng phải tương quan. Độ dài Debye plasma tổng thể thu được từ tổng của nghịch đảo bình phương độ dài Debye plasma của những phần khác nhau của những bộ phận tích điện. Đối với 1 plasma được cấu tạo từ những electron và proton, chúng ta gọi chúng là electron-proton plasma, thành phần nhiệt độ thấp hơn sẽ đóng góp chủ đạo cho độ dài Debye plasma tổng thể. Khi số hóa, độ dài Debye electron được tính trong hệ đơn vị SI (mks) bằng: λD ≡ e ε 0Te ne e 2  7434 Te (eV ) m, độ dài Debye electron ne (m −3) (1.9) Giải pháp chung của (1.7) trong 1 mô hình3 3 chiều, đồng nhất và vô hạn là4: qt e − / x − xt / / λD qt e − r / λD = φt = , điện áp xung quanh vật thử {4πε 0 } / x-x t / {4πε 0 }r (1.10) Ở đây, đại lượng t cho biết đây là giải pháp riêng cho điện áp xung quanh điện tích thử qt trong plasma. Đây là giải pháp có thể được kiểm tra bằng 12 cách thay nó vào (1.7), chú ý rằng (−∇ + ∫ 1 λD2 )φt = 0 ở khắp mọi nơi ngoại trừ qt ε 0 ∫∫ d 3 x∇ 2φ lim r →0 = dS .∇ϕ tại r ≡ / x − xt / → 0 và lim = ( Hình 1.1: kiểm tra thực tế hàm φt với điện tích qt trong tia plasma và điện tích Coulomb trong hàm φCoul cả hai đều có thể phát ra hồ quang với khoảng cách xa. Sự thay đổi màu sắc ở những miền chiếu sáng được giải thích bằng hiệu ứng Debye, có các yếu tố đặc trưng sau: λD _ bước sóng −1 Debye, ne 3 có nghĩa là khoảng cách electron được tách ra, cl bmin = q 2 ({4πε 0 }T ) là khoảng cách giới hạn với chi tiết vật liệu “giới hạn tiếp xúc” ở những nơi mà e∅/T<<1 thì gần như là bị hỏng ) Chúng ta áp dụng kết quả đạt được trong công thức (1.10) để kiểm tra và mở rộng thêm công thức (1.4) để có ứng dụng trong thực tế. Cần lưu ý đến sự đơn giản của tia plasma với Ti >>Te [ vì mức độ electron trong bước sóng Debye có thể vọt lên cao trong công thức (1.8) ]. Tỷ số giữa electron điện tích và electron nhiệt độ có nghĩa là khoảng cách giữa hai electron này −1 ne 3 có thể được xác định bằng biểu thức: là x − xt = 13 eφt Te −1 x − xt = ne 3 1 3 exp  −1 (ne λDe ) 3 1   =  3 23 3 23 4π (ne λDe ) 4π (ne λDe ) (1.11) §Ó nã nhá vµ ®óng víi khai triÓn (1.4), chóng ta cÇn: ne λD3 >> 1 , ®iÒu kiÖn cÇn ®Ó cã tr¹ng th¸i plasma (1.12) §ã lµ, chóng ta cÇn ph¶i cã c¸c phÇn tö mang ®iÖn (electron) trong mét khèi lËp ph­¬ng Debye - Mét c¸c phÇn tö mang ®iÖn trong khèi lËp ph­¬ng Debye 3 (th­êng xuyªn h¬n sù t­¬ng hç gi÷a chóng 1/ ne λD ) ®­îc gäi lµ tham sè plasma kÓ tõ khi nã lín h¬n b×nh th­êng trong tr¹ng th¸i plasma. khèi lËp ph­¬ng mµ mçi c¹nh cña nã lµ mét líp b¶o vÖ Debye 5( 5. Bëi b¶n chÊt h×nh häc cña ®¸m m©y ph©n cùc xung quanh ®iÖn tÝch ®ang xÐt lµ h×nh cÇu, c¸c nhµ vËt lý plasma th­êng ding vËt liÖu thÝch hîp cã sè phÇn tö mang ®iÖn n»m trong mét h×nh cÇu Debye ( 4π / 3) ne λD3 , do hÖ thøc (1.12) ph¶i lín h¬n khi so sanh víi khèi thèng nhÊt.) Theo vËt lý, ®iÒu kiÖn (1.12) lµ mét ®iÒu kiÖn cÇn ®Ó cã tr¹ng th¸i plasma bëi gi÷a c¸c h¹t tËp hîp c¸c sù t­¬ng t¸c cña c¸c phÇn tö mang ®iÖn næi tréi h¬n. Sù t­¬ng t¸c c¸c cÆp sè l­îng Nh­ sù kiÓm nghiÖm tÝnh phï hîp ë khai triÓn trªn ®©y, chóng ta sÏ kh¼ng ®Þnh r»ng n¨ng l­îng ®iÖn tr­êng trong ®¸m m©y ph©n cùc lµ nhá h¬n nhiÖt n¨ng riªng cña phÇn tö ®ang xÐt. §iÖn tr­êng ph©n cùc ®­îc x¸c ®Þnh bëi sù kh¸c nhau gi÷a ®iÖn tÝch φt quanh phÇn tö mang ®iÖn trong plasma vµ ®iÖn tÝch Coulomb φCoul : d  q (e − r / λD − 1)   − ªr  EPol=- ∇(φt − φCoul ) = dr  {4πε 0 } r  (1.13)