Plasma phóng điện khí - Phổ plasma

Sự bức xạ hãm:• Do sự va chạm giữa các điện tử với các ion nặng, điện tử bị mất một phần năng lượng của mình, phần năng lượng này phát xạ ra dưới dạng lượng tử ánh sáng.. Mối quan hệ gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ

NHIÊN KHOA VẬT LÝ

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA

• 1845:từ “Plasma” đươc phát biểu với ý nghĩa sinh vật học

• 1923: Langmuir và Tolk gọi chất khí ở trạng thái dẫn điện là plasma

• 1667,nhà bác học Floreltre phát hiện ra ngọn lửa đèn có tính dẫn điện.

• 1698,tiến sĩ Volt người Anh phát hiện hiện tượng phóng tia lửa điện trong không khí khi nghiên cứu sự nhiễm điện của hổ phách

• Đầu thế kỉ XIX,giáo sư Pétro đã phát minh ra hồ quang

• Irving Langmuir (1881 -1957) là nhà khoa học Mỹ

đầu tiên nghiên cứu về trạng thái plasma, người được coi là cha đẻ của vật lý plasma

• Năm 1920, Langmuir mô tả thí nghiệm tạo ra khối cầu

phát sáng có đặc tính dường như giống sét hòn.

• Năm 1924, ông đưa ra khái niệm nhiệt độ điện tử và

phát minh ra phương pháp chẩn đoán mật độ và nhiệt

độ plasma bằng đầu dò điện.

• Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng minh rằng một loại chuyển động tập thể mới, gọi là “sóng từ-thủy động lực học”

có thể được sinh ra trong các hệ

plasma Các sóng này đóng một vai trò quan trọng xác định tính chất của

plasma.

KHÁI NIỆM PLASMA

Theo định nghĩa của Langmuir, plasma là “một tập hợp” các hạt mang điện và các hạt

trung hòa phải thỏa mãn:

1 Điều kiện gần trung hòa:

2 Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích thước của miền chứa tập hợp đó:

Một số dạng Plasma

TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN PLASMA

• Chẩn đoán plasma là nghiên cứu các hiện tượng vật lý tiến triển bên trong plasma, từ đó suy ra các tính chất của plasma.

• Phương pháp chẩn đoán plasma là các phương pháp đo nhiệt độ, mật độ, thành phần plasma.

• Khó khăn trong việc thiết lập mô hình lý thuyết

• Phải tiến hành chẩn đoán bằng nhiều phương pháp khác nhau trên cùng một đối tượng

Ví dụ chẩn đoán plasma trong

tokamak

Đầu dò từ

Tán xạ Thomson

Quay phim tốc độ cao

Tán xạ chùm

laser

Các phương pháp chẩn đoán

Đầu dò langmuir Nhiệt độ plasma, nồng độ, thế plasma Phân tích quang phổ phát xạ nhiệt độ, nồng độ, thành phần plasma Chẩn đoán chùm nơtron nhiệt độ ion

Giao thoa kế viba nồng độ electron

Quay phim tốc độ cao hình ảnh plasma

Tán xạ thomson Nồng độ và nhiệt độ electron Tán xạ chùm laser

…

I Nguyên tắc kích thích phổ phát

trong plasma

• Plasma, khi bị nung nóng đến nhiệt độ khá cao thì trở thành nguồn bức xạ rất mạnh Các dạng va chạm khác nhau giữa các hạt trong plasma là nguyên nhân gây ra sự phát xạ tia năng lượng, và chính đồng thời sinh ra phổ phát xạ.

II Các quá trình sinh ra các phát

xạ năng lượng:

• 1 Bức xạ gián đoạn

• 2 Sự bức xạ tái hợp

• 3 Sự bức xạ hãm

1 Bức xạ gián đoạn:

• Các nguyên tử và các ion của plasma bị kích thích sẽ bức

xạ photon

• Quang phổ bức xạ của chúng là những quang phổ vạch

• Phổ vạch là phổ phát xạ của các nguyên tố hóa học hầu

như thường nằm trong vùng phổ từ 190-1000nm (vùng

UVVIS) Chỉ có một vài nguyên tố á kim hay kim loại

kiềm mới có một số vạch phổ nằm ngoài vùng này.

2 Sự bức xạ tái hợp:

• Sự bức xạ tái hợp sinh ra khi ion thu nhận điện

tử.

• Sự tái hợp giữa ion âm và điện tử và với ion

dương sẽ làm giảm ion âm

• Trong quá trình tái hợp, các photon được bức

xạ tạo ra quang phổ liên tục

Hình ảnh của phổ mặt trời

2 Sự bức xạ tái hợp:

• Sự tái hợp là quá trình nghịch của quá trình ion hoá.

3 Sự bức xạ hãm:

• Do sự va chạm giữa các điện tử với các ion nặng, điện tử bị mất một phần năng lượng của mình, phần năng lượng này phát

xạ ra dưới dạng lượng tử ánh sáng Bức xạ sinh ra khi có sự va chạm của điện tử với nguyên tử hoặc ion dương nặng, gọi

là bức xạ hãm.

• Bức xạ hãm sẽ sinh ra quang phổ liên tục

III Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật

III Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ,

mật độ hạt trong plasma:

• Nếu gọi Nm là số nguyên tử của nguyên tử Ao đã bị kích thích đến trạng thái năng lượng cao Am, thì theo quy luật Bolzamann ta có:

Nm= Na (gm/ g0) exp ( -ΔEmo/k T)

Nếu gọi I a là cường độ của vạch phổ do quá trình kích thích phổ đã nói ở trên sinh ra,ứng với một nhiệt độ plasma

nhất định ,I a phụ thuộc vào:

- Số nguyên tử Ao đã bị kích thích lên trạng thái A*, (Nm).

- Thời gian tồn tại của nguyên tử A* ở trạng thái kích thích,

(tm).

- Năng lượng kích thích nguyên tử A từ trạng thái cơ bản đến

trạng thái kích thích, (Em = hν).

- Xác suất chuyển mức của nguyên tử A từ trạng thái kích

thích năng lượng Am về trạng thái ban đầu năng lượng

Eo, (Amo).

Ia = f (1/tm) Amo Em Nm

↔ I a = f (l/t m) A m0 Na (gm/ g0) hν exp ( -ΔEmo/k T)

Đối với một loại nguyên tử và trong một nhiệt độ plasma nhất định thì

các yếu tố Amo, go, gm, Cm, hv là những hằng số

I a chỉ phụ thuộc vào N a

I a =k N a

Với: k = f (l/t m) A m0 (gm/ g0) hν exp ( -ΔEmo/k T)

Như vậy đối với quang phổ nguyên tử, ứng với nhiệt độ nhất định của plasma, ta tìm được cường độ của phổ,

ta có thể tìm được mật độ các nguyên tử trong plasma (Na).

Khảo sát nhiệt độ vật đen:

•Người ta tạo ra vật đen bằng cách dùng một bình C có đục một lỗ thủng nhỏ, bên trong bôi đen bằng mồ hóng, (có thể coi là vật

đen),bức xạ khi đi qua lỗ hổng bên trong bình, phản xạ nhiều lần liên tiếp bên trong bình, do đó hầu hết năng lượng bức xạ đều bị hấp thụ Diện tích lỗ hổng vừa là bề mặt hấp thụ, vừa là bề mặt bức xạ.

- Vật đen là những vật hấp thụ hoàn

toàn bức xạ chiếu xạ chiếu tới, đối

với mọi độ dài sóng và đối với mọi

góc tới

- Thực tế không có vật đen tuyệt đối.

Ta xác định được đặc trưng phổ phát xạ của vật đen bằng thí nghiệm:

A

C

Đường cong biễu diễn sự biến thiên của độ chỉ trên điện kế G theo độ dài

sóng của bức xạ ra bởi vật đen A chính là đường cong biễu diễn sự biến thiên

của Eλ theo λ hay chính là đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen.

Bằng cách thay đổi nhiệt độ cuả vật đen, ta vẽ được

nhiều đặc trưng ứng với nhiều nhiệt độ khác nhau

• + Nhiệt độ của vật đen càng cao thì trị số của

λ m càng tiến về phía độ dài sóng ngắn.

Nhiệt độ bức xạ của vật thực:

• R là năng suất phát xạ toàn phần

• Với các vật đen, năng suất phát xạ toàn phần Rvđ tuân theo định luật Bolzamann:

Rvđ = T4

• Với các vật thực (không đen) thì năng suất phát xạ toàn phần R < R vđ

Vậy: R < T4

- Đặt R= b*T 4 , với b là độ đen của vật, phụ thuộc vào tính chất và nhiệt độ của vật ( b <1)

- Nếu ta xét nhiệt độ T ̓ của một vật đen có năng suất phát xạ toàn phần bằng năng suất phát

xạ của một vật thực ở nhiệt độ T thì T ̓ là nhiệt độ bức xạ của vật thực.

Ta có: T ̓ 4 =b *T4

Vậy nhiệt độ thực của vật thực là:

Nếu xác định được nhiệt độ bức xạ T ̓ của vật thực, ta suy ra nhiệt độ thực T của nó

Nhiệt độ bức xạ của vật thực:

Ứng dụng: Hoả kế quang học:

• Hoả kế dùng để đo các nhiệt độ cao: nhiệt độ của một vật nung đỏ, nhiệt độ của lò luyện kim….

• Chùm bức xạ phát ra từ nguồn A ( đóng vai trò là vật đen như cửa sổ của một lò luyện kim), hội tụ vào một đĩa nhỏ K bằng bạc bôi đen Độ chói của ảnh A ̓ trên đĩa K bằng độ chói của nguồn A Nhiệt độ của đĩa K được đo bằng một cặp nhiệt điện và một điện kế G có độ nhạy lớn Nhiệt độ này tỉ lệ với độ chói của ảnh A ̓, do đó tỉ lệ với độ chói của vật đen A Bằng một băng đo mẫu nhiệt độ có sẵn, ta suy ra nhiệt độ của A bằng cách đọc số chỉ của điện kế G

• Nếu A không phải vật đen thì nhiệt độ được chỉ là nhiệt độ bức xạ T ̓ của vật

• Nhiệt độ thực của A là T với T được tính theo biểu thức

Nguyên tắc hoạt động:

•Đầu dò được đưa vào trong

plasma

•Sự biến thiên từ trường trong

vòng dây làm điện áp hai đầu của đầu dò thay đổi

•Một máy dao động ký ghi lại sự thay đổi điện áp.

•Dựa vào sự thay đổi điện áp ta biết được sự phân bố từ trường trong plasma

Vai trò cảu phương pháp đầu dò từ

•cho biết được sự phân bố cường độ từ trường trong ống

I wire

insulator

Là một sợi dây kim loại mảnh hình trụ,

bên ngoài được bao bọc bởi chất

cách điện dọc theo chiều dài, chỉ để

hở mũi nhọn của sợi dây gọi là đầu

dò Kích thước đầu dò vào cỡ vài

mm đến vài cm.

Lớp điện môi

Thép không gỉ

Cấu tạo đầu dò Langmuir

Sợi dây kim loại mảnh làm bằng Tungsten hay Modylen,

 Điều chỉnh biến trở

Đường đặc trưng Volt - Ampere

Các hạt mang điện khuyếch tán đến thành ống, đặc biệt là các e -> Thành ống tích điện âm

Một lớp mỏng điện tích dương xuất hiện gần bề mặt thành bình,

có tác dụng như lớp vỏ bao lấy plasma, ngăn dòng khuyếch tán ion dương.

Thế năng tại lớp vỏ mỏng gọi là thế bao (Sheath Potential)

Khi đưa đầu dò Langmuir vào bên trong plasma, các e bao quanh đầu

dò, hình thành màn chắn tĩnh điện

Màn chắn tĩnh điện này “thu hút” các ion dương và ngăn chặn các e kế tiếp

di chuyển đến đầu dò cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng

.

Thế năng tại màn chắn gọi là thế nổi

(Floating Potential) Ký hiệu: Vf

Khi plasma ở trạng thái cân bằng, nó có một thế năng

nhất định gọi là thế plasma ký hiệu: V p

 Plasma DC: V p = const

 Plasma RF: V p = V p (t)

Mối liên hệ giữa thế bao (V s ), thế nổi (V f ) và thế plasma (V p ):

V p = V s + V f

Giả sử, thế đầu dò là thế âm, ta sẽ xác định nồng độ

ion trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò.

I > 0

V < Vp

I < 0

V > Vp

Tiêu chuẩn Bohm

 Trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò không

có tái hợp giữa các điện tích.

e v

x e

e

v

x x

e

dv kT

V V

e v

m v

kT

m en

dv E ef J

1 exp

2

22

0

exp 2

1

exp 4

p e

e

p e

π

Mật độ dòng ion đến đầu dò:

 cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được:

B e

p i

kT

V V

e v

e n A AJ AJ

2

1 exp

−

=

e

p e

i B

kT

V V

e m

M v

en A

2

10

π

Trong đó:

A là tiết diện của đầu dò

Điện thế

Cường độ

dòng điện (μA)

Thế plasma V p

Đường đặc trưng Volt - Ampere

 Miền A: Khi V > V p , không tồn tại màn chắn điện bao quanh đầu dò, dòng I → I bão hòa = I e bão hòa .

Đầu dò có thể thay thế cho anode hút các dòng điện tích.

Miền B: Dòng ion và electron đầu dò thu nhận được:chạm vào nó

210

8 4

e i

m

kT n

eA I

I I

π

Thế nổi V f

 Miền C: V < V p , đầu dò bắt đầu đẩy các e và hút các ion dương về phía đầu dò Chỉ có các e nào có đủ động năng mới tới được đầu dò

p f

e

m M

V

V e

kT

π

2 ln

 Miền D: V < V f , các ion dương có chuyển , các ion dương có chuyển động ngẫu nhiên xuyên qua vùng màn chắn tĩnh điện sẽ bị đầu dò thu nhận, cùng với nó lớp màn chắn bị mỏng đi do thế của đầu dò.

Nếu V << V p thì ta phải xét đến sự phát xạ điện tử thứ cấp

và các electron thứ cấp này va chạm mạnh với dòng ion tới đầu dò) Phương trình cân bằng của dòng ion: 0 0

2

1

v Aen

 V < V p : I e thay đổi theo quy luật hàm mũ (giả thiết hàm phân bố của e là

Maxwell-Boltzmann)

 V > V p : I e vẫn tiếp tục tăng nhưng bị giới hạn bởi màn

chắn plasma

 V = V p thì đường đặc trưng V – A có độ cong lớn nhất Vì

thế để xác định thế plasma ta dựa vào điều kiện sau: I”(V p )

= I”max hoặc I”(V p ) = 0 (Tiêu chuẩn Druyvesteyn).

Xác định các đặc trưng của plasma

e

kT

V V e m

kT eAn

I exp

2

2 1

0 π

Từ biểu thức xác định dòng electron đến đầu dò:

Lấy ln hai vế: Trong đó:

2 1

m

kT eAn

I

π

là cường độ dòng electron bão hòa (tại V ≈ V p )

( )

( ) ( )

p e

e

p p

e

p p

e

p e

e

e

p e

e

I I

V V I

I

V V e

kT

kT

V V e I I

kT

V V e I

kT

V V e m

kT eAn

kT

V V e m

kT eAn

I

ln ln

exp 2

ln

ln

2 1 0

2 1 0

π π

(*) (**)

Từ đường đặc trưng Volt – Ampe ở hình trên, nếu ta biểu

diễn lại trên trục semi-logarith lnI = f(V), ta sẽ được đường

thẳng với phương trình có dạng biểu thức (*)

Từ đây, ta xác định được nhiệt

độ của electron trong plasma:

Nồng độ e hay ion dương

2 1

m

kT eAn

I

π

2

10

m

kT eA

I n

π

Từ biểu thức tính cường độ dòng electron bão

hòa:

Với nhiệt độ electron trong plasma đã xác định ở trên,

ta có thể tính được nồng độ electron (hay ion) trong plasma:

Typical Langmuir Probe I-V Curves

full I-V curve floating potential

temperature fitting

Density from ion saturation

plasma potential

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

(Emissive probe)

1 CẤU TRÚC

 Dựa trên nguyên lí cơ bản là: Nếu thế đầu dò

là dương so với thế plasma, các electron

phát ra với năng lượng thấp bị hút trở lại đầu

dò Trong trường hợp này dòng đầu dò là

không thay đổi bởi sự phát xạ ra các

electron Nếu thế đầu dò là âm so với thế

plasma, các electron phát xạ có thể đi vào

plasma

2 Hoạt động.

• Nếu đầu dò được nung nóng cho đến khi phát xạ ra electron, dòng đầu dò tổng cộng, là một hàm của điện thế đầu dò, được cho bởi công thức:

T ω là nhiệt độ của đầu dò

là công thoát điện tử bề mặt đầu dò φ w

Phương pháp thế uốn:

• Nguyên tắc của phương pháp này là dựa

trên việc xác định trực tiếp thế plasma từ

đường đặc trưng đầu dò phát xạ Thế mà

tại đó xuất hiện điểm uốn trên đường

đặc trưng của đầu dò phát xạ tương ứng

với thế plasma

Phương pháp thế nổi

• Phương pháp này bao gồm việc đo các thế nổi của đầu dò ở các dòng nhiệt khác nhau Khi dòng nhiệt tăng lên, thế nổi của đầu dò sẽ dịch chuyển (tăng) cho đến khi nó đạt giá trị bão hòa ứng với thế plasma

P L A S M A

Sơ đồ mạch điện đầu dò trong plasma

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

ĐẦU DÒ FARADAY (Faraday probe)

Đầu dò Faraday là một dụng cụ để đo mật độ dòng điện Các loại đầu dò:

Đầu dò có hai bộ phận chính:

* Vành góp

* Vòng bảo vệ

ĐẦU DÒ FARADAY

Vành góp

Làm bằng thép không rỉ

Được phun một lớp tungsten để làm giảm sự phát xạ electron thứ cấp từ sự bắn phá ion

Hoạt động:

 Khi các ion đập vào bề mặt của vành góp, các electron chứa trong phần kim loại của đầu dò Faraday tuôn ra bề mặt đầu dò để trung hòa các ion tập trung trên bề mặt

 Các electron di chuyển tạo ra dòng điện đầu dò, dòng này bằng với dòng ion

 Mật độ dòng được xác định bởi tỉ số của dòng ion và diện tích của vành góp J= I/A

ĐẦU DÒ FARADAY

Trong thực nghiệm: Người ta sử dụng vôn kế để đo điện thế đầu dò

V, sau đó mật độ dòng sẽ được tính như sau:

j = RA Với : R là điện trở trong

mạch

A là tiết diện đầu dò

Đầu dò Faraday trong LVTF

Đ U DÒ FARADAY Ầ

ĐẦU DÒ FARADAY

Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của mật độ

dòng vào vị trí góc

GIAO THOA KẾ VIBA

(MICROWAVE INTERFEROMETRY)

Nguyên tắc hoạt đôâng dựa vào sự thay đổi pha của chùm sóng viba khi nó

đi qua côât plasma Sự thay đổi pha tỉ lêâ với tích phân mâât đôâ dọc theo

đường dẫn chùm tia.

GIỚI THIÊÊU CHUNG

SƠ ĐỒ HOẠT ĐÔÊNG

GIAO THOA KẾ MACH - ZEHNDER

Gương

Gương bán mạ

Detector

Quan hêâ giữa pha đo được (rad) và phần thực của chỉ số khúc xạ được cho bởi:

L: quãng đường truyền của sóng viba trong plasma (m)

SỰ PHỤ THUÔÊC GIỮA MÂÊT ĐÔÊ ELECTRON CỦA PLASMA VÀ ĐÔÊ DỊCH PHA

Khi tần số va chạm nhỏ hơn tần số của sóng viba, ta có phần thực của chỉ số khúc xạ trong plasma không nhiễm từ là:

c

n x x

n

ω µ

ω

nc : mâât đôâ giới hạn (mâât đôâ cắt) (electron/m3)

2 0

2

e c

m n

Trong hầu hết plasma phóng điêân phát sáng: n(x) << nc

(1 4)

( ) 1 ( )

2 c

n x x

Mâât đôâ trung bình của electron trong plasma được định nghĩa

Ln cn

πν φ

0 2

4

c e

HẠN CHẾ

Vì kích thước plasma thường nhỏ hơn quãng đường tự

do của năng lượng sóng viba

 Điều này làm nhiễu hiêâu ứng phản xạ và giao thoa của các bức xạ viba

Để khắc phục hạn chế này trong lò phản ứng plasma, cần dùng sóng viba có tần số 60GHz hoăâc cao hơn , tuy nhiên trạng thái này rất khó tạo ra trong kỹ thuâât

When these combine

2 0

Now for a plasma

Giao thoa kế microwaves

Máy phân tích sự trễ thế

năng

H.1 Sơ đồ máy phân tích sự trễ thế năng, được dùng để xác định hàm phân bố năng lượng của các ion đến bề mặt của mẫu.