Когда что‑то попадает тебе в глаз, помни, что это частичка Космоса.
Так сложилось, что по первой специальности я физик‑плазменщик. Всегда любил яркие, светящиеся, взрывающиеся и горящие штучки. Облазил весь Интернет в свое время в поиске подобного, и должен сказать, что на каждом DIY сайте обязательно будет целый раздел с катушками Тесла (ну или катчерами). Да, это красиво и эффектно, но — увы — уже давно не оригинально и, честно говоря, бесполезно. К сожалению, для многих любителей на этом знакомство с плазмой и заканчивается.
Безусловно, если капнуть, можно наткнуться и на самодельные рентгеновские трубки из советских вакуумных ламп, и на самодельное магнетронное напыление, классикой стали плазменные образования в микроволновке. Но как же это работает?
Плазма - удивительное состояние вещества, большинство людей даже не задумывается, насколько широко и применяется эта экзотическая среда. В этой статье попробуем разобраться об одном из видов разряда, который весьма широко применяется в установках плазменной обработки, электрореактивных двигателях и источниках ионов.
Что такое плазма?
Отдадим введение про разряд постоянного тока, тлеющий, дуговой, коронный на откуп советских научпоп-книжек и учебников. Однако разобраться с базовыми понятиями всё-таки придется.
Плазма — это ионизированный квазинейтральный газ. Если в каком-то объеме удается создать достаточную концентрацию положительных и отрицательных зарядов (так, чтобы суммарный заряд системы был близок к нулю), то перед нами — плазма.
Обычная материя электронейтральна, но состоит из заряженных частиц: электронов, ядер, ионов. Чтобы разделить их, нужно преодолеть силу кулоновского притяжения. Самый простой способ — нагреть вещество, увеличив кинетическую энергию частиц. Например, пламя — это слабоионизированная плазма, где свободных зарядов относительно немного. Но нагрев — не единственный способ. Гораздо эффективнее разгонять заряженные частицы с помощью электромагнитных (ЭМ) полей.
ВСЕ тела взаимодействуют с ЭМ полем. В диэлектриках нет свободных зарядов, но электрону никто не запрещал смещаться в рамках своего ядра. А если на электрон подействует достаточная сила, то он вполне может оторваться и улететь, оставив положительный ион. Такая реакция называется ионизацией Ar => Ar++e.
Однако так расшатать атом сложно, наиболее просто разогнать легкий электрон, чтобы он вмазался в атом и выбил второй электрон за счет своей энергии: e+Ar=Ar++2e. Такой процесс называется ионизация электронным ударом. Всегда в среде есть некоторое количество быстрых электронов, как минимум в силу статистики.
Вот мы и подошли к основной задаче - накачать энергией электроны, чтобы они ионизовали много атомов, чтобы получить еще больше электронов, чтобы они ионизовали еще больше атомов, чтобы получить еще больше электронов, чтобы они ионизовали еще больше атомов... ну вы поняли. Ограничение естественное, чем больше таких частиц, тем быстрее они хотят рекомбинировать и стать опять нейтральными.
Если задача так проста, просто вкачать энергию, то зачем целое направление физической электроники уже более ста лет что-то придумывает. А нам не нужна какая-то плазма, нам нужна управляемая, предсказуемая плазма. Множество прикладных исследований посвящено изучению параметров плазмы. Например, если нам надо бомбить какую-нибудь поверхность для очистки, то нужно чтобы в центре разряда и по краям концентрации, энергии и пр. были однородны. Для электрореактивных двигателей, извергающих потоки ускоренных ионов в качестве реактивной струи требуется большой импульс, то-есть масса частиц, а ты попробуй, найди тяжелый атом который бы еще был дешевым газом (обычно используют Ar или Xe). Молекулярные газы тяжелые, но они распадутся в плазме до более легких.
Тут еще одно применение - плазмохимия. В такой среде частицы имеют избыток энергии, они возбуждены, заряжены и подвижны. Они так и наровят с кем-нибудь провзаимодействовать. А иногда и наоборот, так задолбались в плазме, что хотят осесть и возделовать огород образовать слой напыления.
Даже электроды, на которые подается питание не выдерживают и со временем выгорают. Вынесем электроды за пределы камеры! Проблема - постоянный ток отказывается течь. Ладно, подадим переменный, токи смещения в конденсаторах никто не отменял. Отлично, но что же это такое. Эффективность наработки частиц невелика, поле скинируется. Лаааадно, намотаем вокруг камеры катушку и подадим на неё ВЧ электрический ток, Ватт эдак 1000. Другое дело. ВЧ индуктивная плазма (ICP) получена!
Стоп, но почему это работает, да еще и так хорошо? Наверняка многие знают про индуктивные нагреватели, ну или хотя бы про трансформаторы переменного тока. Принцип схож, переменное электрическое поле в катушке индуктора создает переменное магнитное поле в сердечнике (камере с плазмой), если внутри одной катушки находится вторая, то в ней через это магнитное поле индуцируется переменное электрическое поле.
Если в катушку поместить болванку из проводника, индуцированный ток будет нагревать её. Мощность будет передаваться почти как в трансформаторе, где в качестве вторичной обмотки служит проводящая деталь.
Чтобы зажечь разряд внутрь катушки индуктора помещают колбу с газом. В окружающей среде, и в этой колбе в частности, всегда есть небольшая концентрация заряженных частиц из-за естественной радиации. Эти частицы обуславливают небольшую, но отличную от нуля проводимость воздуха. Когда эти частицы попадают в такое поле, то они начинают разгоняться и сталкиваться с молекулами и атомами газа, приводя к их ионизации. В этом процессе нарабатываются еще свободные электроны и проводимость плазмы увеличивается.
Проводимость плазмы с некоторыми оговорками пропорциональна концентрации электронов и обратно зависит от частоты столкновений электронов с ионами.
Вкладываемая мощность будет выражаться через напряженность электрического индуцированного поля, как:
Соответственно, чем выше проводимость, тем больше вкладываемая мощность. Стоит оговориться, что при работе с ВЧ полями математический формализм значительно сложнее, но для качественного описания нам и так сойдет.
Теперь перейдем к конкретному примеру. В нашей лаборатории стоит разрядная камера так раз для изучения подобного типа разряда. Можно менять газ, наполняющий камеру, подавать ВЧ разной мощности и частоты, даже можно подавать модулированный сигнал. Откачной стенд позволяет изменять давление в широких пределах, управление электронное.
Для того, чтобы сэкономить время и деньги современные физики прибегают к математическому моделированию процессов, которые они изучают. Не надо закупать дорогие или ядовитые газы, менять кучу условий и чинить аналитическое оборудование, у которого в случае с плазмой довольно жесткие и не всегда выполненные условия применимости. Можно заглянуть внутрь всех процессов численного расчета и прикинуть, а какую же сторону менять параметры реактора, чтобы получить нужный результат (температуру частиц, их пространственные распределения, вкладываемую мощность и пр.).
Далее просто приведу результаты подобного расчета для аргоновой плазмы.
Температура электронов наибольшая у стенок. Это объясняется тем, что наибольший вклад мощности идет именно в этой области, ближе к виткам индуктора. Наименьшая температура электронов в центре реактора. Так как плазма проводящая среда, ЭМ поля не проникают глубоко, а компенсируются подвижными зарядами плазмы.
Электроны рождаются у стенок и дрейфуют в центр, так как у стенки потенциал меньше, чем в центре. По мере своего движения они участвуют в реакциях с атомами и ионами и теряют свою энергию.
Полученные зависимости можно получить, изменяя очень много параметров, а найдя нужное распределение частиц, поставить эксперимент с соответствующими параметрами, а в перспективе и создать промышленную установку.