Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí quyển

Vì thiết bịplasma tạo ra các chùm plasma ngay trong không khí ở áp suất khí quyển hơn là trongkhoảng cách phóng điện giới hạn, chúng có thể được sử dụng để điều trị trực tiếp vàkhông có

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM TUẤN HƯNG

NGHIÊN CỨU QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA

PLASMA Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN, 10/2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM TUẤN HƯNG

NGHIÊN CỨU QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA

PLASMA Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

đỡ em trong việc thử nghiệm vi sinh để hoàn thành luận văn này.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Đỗ Hoàng Tùng và tập thể cán bộ Phòng Công nghệ plasma, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em trong thực nghiệm đo đạc,phân tích phổ và hoàn thành luận văn.

Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2018

Học viên

Phạm Tuấn Hưng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN 3

1.1 Tổng quan về vật lý plasma 3

1.1.1 Plasma là gì? 3

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của plasma 4

1.1.3 Phân loại plasma 5

1.1.3.1 Plasma nhiệt và phi nhiệt 5

1.1.3.2 Plasma tự nhiên và nhân tạo 7

1.1.3.3 Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu 9

1.2 Plasma ở áp suất khí quyển 10

1.2.1 Phân loại các nguồn plasma ở áp suất khí quyển 10

1.2.2 Các nguồn plasma ở áp suất khí quyển 11

1.2.2.1 Phóng điện tần số thấp và DC 11

1.2.2.2 Phóng điện RF 12

1.2.2.3 Plasma gây ra do vi sóng 13

1.2.3 Plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ 14

1.2.4 Plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt động học cục bộ (non- LTE) 16

1.3 Ứng dụng của plasma lạnh ở áp suất khí quyển 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 19

2.1 Giới thiệu về nguồn phát plasma ở áp suất khí quyển 20

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động chung 20

2.1.2 Cấu tạo 21

2.2 Máy quang phổ 26

2.3 Đo đặc trưng điện của plasma 27

2.4 Đo phổ phát xạ của plasma 29

2.4.1 Lắp đặt hệ đo 29

2.4.2 Phương pháp quang phổ phát xạ quang OES 32

2.4.3 Xác định nhiệt độ điện tử của plasma 34

2.4.4 Xác định mật độ điện tử của plasma 34

2.4.5 Những đo đạc thực nghiệm đã thực hiện 36

2.5 Đo cường độ UV của plasma 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 Kết quả đo đặc trưng điện của plasma 39

3.2 Kết quả đo phổ phát xạ của plasma 39

3.2.1 Quang phổ phát xạ của plasma 39

3.2.2 Đặc trưng phổ phát xạ phụ thuộc tốc độ dòng khí 42

3.2.3 Đặc trưng phổ phát xạ phụ thuộc khoảng cách đo 44

3.3 Cường độ UV của plasma 46

3.4 Kết quả xác định nhiệt độ điện tử của tia plasma 49

3.4.1 Đánh giá nhiệt độ điện tử thông qua bốn vạch argon đặc trưng 49

3.4.2 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử vào tốc độ dòng khí 50

3.4.3 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử theo khoảng cách đo 52

3.5 Kết quả xác định mật độ điện tử của plasma 54

3.5.1 Sự phụ thuộc của mật độ điện tử theo tốc độ dòng khí 54

3.5.2 Sự phụ thuộc của mật độ điện tử theo khoảng cách đo 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

OES

Nghĩa tiếng Anh

Optical emission spectrum

Nghĩa tiếng Việt

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Những đặc trưng của Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt.

Bảng 1.2 Nhiệt độ và mật độ điện tử của một số loại plasma tự nhiên và nhân tạo Bảng 2.1 Các thông số 4 vạch phổ Argon.

Bảng 3.1 Dữ liệu phổ các vạch phổ phát xạ OH, N2, O, Ar I có liên quan Các mứcnăng lượng ban đầu, mức năng lượng cuối cùng Sự dịch chuyển năng lượng tạo ra cácvạch phổ

Bảng 3.2 Cường độ các vạch phổ thay đổi theo tốc độ dòng khí Số liệu đo với khoảng

cách 5 mm từ đầu đo tới đầu plasma

Bảng 3.3 Cường độ các vạch phổ thay đổi theo khoảng cách đo Số liệu đo với tốc độ

dòng khí 8 lít/phút

Bảng 3.4 Quan hệ giữa chỉ số UV và mối nguy hiểm đến sức khỏe con người.

Bảng 3.5 Mối liên quan giữa cường độ tia UV với khoảng cách chiếu tia và tốc độ dòng khí, với L=20 mm là độ dài của chùm tia plasma phát ra ngoài khí quyển khi

nguồn plasma làm việc với tốc độ khí 10 lít/phút

Bảng 3.6 Cường độ 4 vạch phổ đặc trưng của Argon khi nguồn hoạt động với tốc độ

dòng khí Argon là 8 lit/phút, khoảng cách đo không đổi là 5 mm

Bảng 3.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ electron theo tốc độ dòng khí Khoảng cách đo cố

định là 5mm Tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của vạch Ar 696,54 nm

Bảng 3.8 Sự phụ thuộc nhiệt độ electron theo khoảng cách đến đầu sợi quang Tốc độ

dòng khí không đổi là 8 lit/phút Tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của vạch Ar 696nm

Bảng 3.9 Mật độ điện tử của plasma phụ thuộc theo tốc độ dòng khí

Bảng 3.10 Mật độ điện tử của plasma phụ thuộc theo khoảng cách đo.

Hình 1.3 Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất 3

Hình 1.4 Mặt Trời có thành phần vật chất chủ yếu là Plasma 7

Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma phóng điện RF 13

Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma vi sóng ECR 14

Hình 1.14 Tia sét là plasma nhiệt áp suất khí quyển 15

Hình 1.15 Hồ quang điện là plasma nhiệt áp suất khí quyển 15

Hình 1.16 Plasma lạnh là một dạng plasma phi nhiệt áp suất khí quyển 17

Hình 1.17 Ứng dụng plasma lạnh trong điều trị vết thương ngoài da 18

Hình 1.18 Ứng dụng plasma trong chế tạo các bộ phận ô tô 18

Hình 1.19 Ảnh SEM của polypropylen ban đầu (a) và sau khi xử lý

plasma

1 phút (b);3 phút (c); 5 phút (d); 7 phút (e)

19

Hình 2.2 Minh họa (a) và Ảnh chụp sự phóng điện hồ quang trượt (b) 21

Hình 2.3 Sơ đồ khối cấu tạo của plasma jet hồ quang trượt, lạnh 22

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý nguồn điện nuôi công suất nhỏ 22

Hình 2.6 Mặt cắt dọc của đầu phát chùm tia plasma 24

Hình 2.8 Chùm plasma phát ra từ nguồn plasma Med – 01T 25

Hình 2.10 Các bộ phận chính của máy quang phổ Avantes 26

Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của đầu thu tín hiệu quang công

nghệ CCD được ứng dụng trong máy Avantes AvaSpec

27

Hình 2.15 Sơ đồ đo đặc trưng điện (thế và dòng) của plasma 29

Hình 2.16 Sơ đồ lắp đặt hệ đo phổ phát xạ của plasma 29

Hình 2.18 Chạy phần mềm AvaSoft dành cho máy quang phổ AvaSpec 30

Hình 2.22 Sự chuyển quỹ đạo dừng của điện tử và kèm theo phát ra photon 33

Hình 2.24 Vị trí độ bán rộng 1/ 2 (FWHM) trên một vạch phổ 36

Hình 2.25 Máy đo tia UV hiệu UV light meter 340B 37

Hình 3.1 Đường đặc trưng thế (màu đen) và đường đặc trưng dòng (màu

đỏ) của plasma

38

Hình 3.2 Quang phổ phát xạ của plasma, khí Ar công suất nguồn 20 W,

tốc độ dòng khí 8 lit/phút, đường kính tia plasma 6 mm

39

Hình 3.3 Quang phổ phát xạ quang của plasma sử dụng khí Ar thu được

khi làm việc ở những tốc độ dòng khí khác nhau

41

Hình 3.4 Liên hệ giữa cường độ các vạch phổ điển hình của plasma với

tốc độ dòng khí argon

42

Hình 3.5 Quang phổ phát xạ quang của plasma sử dụng khí Ar thu được

khi làm việc ở những khoảng cách độ dài cột plasma khác nhau

43

Hình 3.6 Liên hệ giữa cường độ các vạch phổ điển hình của plasma với

khoảng cách đo

44

Hình 3.8 Liên hệ giữa cường độ tia UV với khoảng cách chiếu tia 47

Hình 3.9 Liên hệ giữa cường độ tia UV với tốc độ dòng khí 47

Hình 3.10 So sánh cường độ UV của plasma (cột 1) với với cường độ tia

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử Te (tính theo K) vào tốc độ

dòng khí Khoảng cách đo không đổi là 5 mm

Hình 3.15 Sự phụ thuộc của mật độ electron vào tốc độ dòng khí Argon 53

Hình 3.16 Sự phụ thuộc của mật độ electron vào khoảng cách đo 54

MỞ ĐẦU

Plasma nhiệt độ thấp và phi nhiệt ở áp suất khí quyển là một chủ đề rất đượcquan tâm trong các lĩnh vực khoa học khác nhau Plasma jet ở áp suất khí quyển thuhút sự chú ý lớn vì các ứng dụng tiềm năng của chúng trong nhiều lĩnh vực như xử lý

bề mặt polyme, cho các ứng dụng y sinh (sinh học plasma, y tế và y học cũng như xử

lý vật liệu và công nghệ nano) và kiểm soát ô nhiễm [1, 2] Đặc biệt, các ứng dụng ysinh học của plasma jet đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng gần đây Vì thiết bịplasma tạo ra các chùm plasma ngay trong không khí ở áp suất khí quyển (hơn là trongkhoảng cách phóng điện giới hạn), chúng có thể được sử dụng để điều trị trực tiếp vàkhông có giới hạn về kích thước của đối tượng được xử lý [3, 4] Một trong những điềukiện tiên quyết cho ứng dụng y sinh học là plasma jet làm việc ở gần nhiệt độ phòng vàmang dòng điện thấp dưới áp suất trung bình [5] Cho đến nay, các ứng dụng như điềutrị ung thư [6-8], khử trùng, tẩy trắng răng, đông máu và chữa lành vết thương [9-11]

đã được chứng minh

Do tính chất điện và hóa học của chúng, sự phóng plasma trong không khí là sựtổng hợp của các loại điện tích, các photon năng lượng và các gốc tự do vào môitrường xung quanh Plasma phi nhiệt ở áp suất khí quyển, cũng được gọi là plasmalạnh, được định nghĩa là một mức độ thấp của khí bị ion hóa Sự tương tác của plasmaphi nhiệt với các bề mặt là một chủ đề được nghiên cứu rất sâu và rộng trong nhiềuthập kỷ Cả plasma áp suất khí quyển và plasma áp suất thấp đã được sử dụng rộng rãi

để sửa đổi và chức năng hóa một lượng lớn các bề mặt bao gồm polyme và vật liệusinh học [12–17] Sự hiểu biết tính chất vật lý của các quá trình tương tác bề mặt-plasma biên đã trở thành một chủ đề quan trọng cơ bản

Để sử dụng plasma này trong các ứng dụng trong công nghiệp, y sinh và môitrường một cách hiệu quả, cần phải biết các thông số plasma như thành phần hóa học,

xác định nhiệt độ điện tử và mật độ electron của plasma áp suất thấp, phép đo thăm dòđiện hoặc đầu dò Langmuir được sử dụng rộng rãi [20, 21] Tuy nhiên, lý thuyết thăm

dò cho plasma áp suất khí quyển có một tần số va chạm trung hòa - điện tử lớn vẫnchưa được thiết lập Việc áp dụng phép đo thăm dò vào plasma áp suất khí quyển làkhó khăn

1 1

do khoảng cách giữa các điện cực nhỏ và do vấn đề liên quan đến tải nhiệt lớn và nhiễutần số cao [22] Vì vậy, thay thế cho phép đo dò điện, phương pháp quang phổ phát xạ

dưới môi trường áp suất khí quyển [23] Các kỹ thuật dựa trên phát xạ quang học làkhông xâm lấn và chỉ cần thiết bị quang phổ vừa phải [24, 25] Chính vì những lí do

trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí

quyển”.

Mục tiêu của luận văn: Nghiên cứu quang phổ phát xạ để tìm hiểu thành phần

hoạt tính và các đặc trưng của plasma ở áp suất khí quyển.

Nội dung luận văn: Luận văn được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp

thực nghiệm, đo đạc phân tích số liệu thu được từ quang phổ phát xạ của plasma áp suất khí quyển để xác định:

- Thành phần hoạt tính có trong plasma áp suất khí quyển.

- Đặc trưng điện và đặc trưng phổ phát xạ

- Nhiệt độ electron trong plasma áp suất khí quyển.

- Mật độ electron trong plasma áp suất khí quyển.

Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận được chia làm 3 chương như

+ Chương 1 Tổng quan về plasma áp suất khí quyển

+ Chương 2 Thực nghiệm + Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

1.1 Tổng quan về vật lý plasma

1.1.1 Plasma là gì?

Cơ sở của ngành vật lý plasma có công đóng góp rất lớn của hai nhà vật lý Stark

và Langmuir Năm 1902, nhà Vật lý học người Đức Jonhannes Stark đã cho ra đờicuốn sách lý thuyết vật lý đầu tiên đầy đủ nhất về khí tích điện (Die Elektrizitaet inGasen) và nhờ đó ông được nhận giải Nobel vật lý năm 1919 [28] Sau đó đến năm

1923, nhà bác học Irving Langmuir (1881-1957) khám phá ra “dao động Plasma”

trong chất khí bị ion hóa và đến năm 1928 ông là người đầu tiên chính thức đưa ra

thuật ngữ “Plasma” cho ngành Vật lý [1].

Hình 1.1 Jonhannes Stark Hình 1.2 Irving Langmuir

Trong trạng thái plasma đa số phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân Cácelectron không còn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nữa nên chuyển động tương đối tự dogiữa các hạt nhân Plasma không phải là vật chất phổ biến trên Trái đất nhưng cácnghiên cứu cho thấy 99 % vật chất đã phát hiện trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma.Plasma được coi là trạng thái đầu tiên của vật chất trong vũ trụ [1]

Hình 1.3 Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất

Khi cung cấp năng lượng cho một chất rắn, sự chuyển động của những nguyên

tử hoặc phân tử tăng lên làm vật chất chuyển sang trạng thái lỏng, sau đó thành trạngthái khí Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cao hơn nữa thì quá trình va chạm giữa cáchạt trong chất trở nên đủ mạnh khiến các hạt vỡ thành từng phần tạo thành các hạtmang điện tích là các electron và ion [2] Trạng thái này được gọi là Plasma hay

“trạng thái thứ tư” của vật chất, ba trạng thái trước đó lần lượt là rắn, lỏng và khí [1]

Plasma xét trên toàn thể là hệ trung tính về điện tích vì trong tổng thể khốiPlasma có số lượng cân bằng nhau giữa điện tích âm và điện tích dương Một đặc trưngđáng kể đến đầu tiên của Plasma là các hạt tích điện và có năng lượng cao Do đó môitrường Plasma có thể phát ra ánh sáng từ bức xạ hồng ngoại với bước sóng vài trămmicromet tới bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại Plasma ở nhiệt độ cao thậm chícòn có thể bức xạ một số bức xạ bước sóng ngắn hơn cả tia tử ngoại [1]

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của plasma

Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thínghiệm và trong công nghiệp nhờ hệ thống thiết bị máy móc hiện đại, tạo cơ hội choviệc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, laser, đèn huỳnhquang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô bệnh và nhiều ứng dụng khác Rấtnhiều các bộ phận của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay được sản xuất dựa trên côngnghệ plasma Nói chung, plasma có ba đặc tính quan trọng để đưa vào ứng dụng:

- Nhiệt độ và mật độ năng lượng của một vài thành phần hạt trong plasma có thểvượt quá khả năng của công nghệ tạo nhiệt thông thường Nhiệt độ của plasma có thể

dễ dàng vượt qua mức 10.000 K nên trong một số lĩnh vực sản xuất công nghiệp đòihỏi môi trường nhiệt độ cao duy trì liên tục thì plasma là lựa chọn có thể nghĩ đến đầutiên [1] Ví dụ, làm gốm tan chảy cần cung cấp cho lớp bề mặt gốm nhiệt độ trên 3000

K, không có lựa chọn nào hợp lý hơn sử dụng nhiệt tạo ra từ plasma Trong lĩnh vực yhọc, plasma với nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn có thể dễ dàng đốt cháy và cắtcác mô bệnh mà không làm chảy máu Trong thực tế hiện nay ứng dụng đặc tính nhiệt

độ cao và mật độ năng lượng lớn là phổ biến trong công nghệ, nghiên cứu khoa học và

y học

1 5

- Bên trong plasma có các phần tử hoạt chất (electron, các ion dương và âm, cácnguyên tử và gốc tự do, các nguyên tử và phân tử bị kích thích, cũng như các photon

có dải quang phổ rộng) với mật độ lớn và nồng độ cao Mật độ lớn và nồng độ cao cáchoạt chất là vô cùng cần thiết cho các ứng dụng plasma đóng vai trò nguồn để sinh ratia lửa điện và đốt cháy, sinh ra ozon để làm chất ô xi hóa [1, 20, 21] Trong y tế, việctạo ra nồng độ cao các chất có thể hữu ích cho việc khử trùng các bề mặt mô sống,không khí và nước

- Trạng thái của môi trường plasma có thể khác xa so với trạng thái cân bằngnhiệt động lực học Do đó nó có thể cho phép một nồng độ rất cao các thành phần hoạtchất có trong plasma mà vẫn duy trì nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng Đặc tính này là riêngbiệt của plasma Đặc tính này được sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử vàbán dẫn Đa số các linh kiện của máy tính, điện thoại di động, tivi, đèn ánh sáng lạnhđược sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh Đặc tính này của plasma cũng đượcứng dụng trong việc xử lý bề mặt polyme Trong y học, plasma tạo ra môi trường hoạtchất hóa học nồng độ rất cao khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho việcđiều trị đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khửkhuẩn da và các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trướcđây điều trị không có hiệu quả bằng các phương pháp thông thường [1, 6-9]

Ba đặc tính trên đã mở rộng phạm vi và số lượng các lĩnh vực, các ngành có thểứng dụng plasma Trong thực tế hiện nay ứng dụng của plasma vẫn đang tiếp tục đượcphát triển sang các ngành sản xuất khác và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trongnghiên cứu y học

1.1.3 Phân loại plasma

1.1.3.1 Plasma nhiệt và phi nhiệt

Cách phân loại Plasma quan trọng nhất là phân loại theo tính chất nhiệt độngcủa hệ Plasma Theo quan điểm này Plasma bao gồm Plasma nhiệt và Plasma phinhiệt Plasma nhiệt là plasma cân bằng nhiệt động [1, 29], nghĩa là nhiệt độ electroncân bằng với nhiệt độ của các ion khác có trong plasma Plasma phi nhiệt là plasmakhông cân bằng nhiệt động, nghĩa là nhiệt độ electron cao hơn nhiều so với nhiệt độcác ion khác

Loại Plasma Plasma LTE

va chạm đàn hồi không làmnóng các hạt nặng Nănglượng của electron bị mất dầnđi

Va chạm không đàn hồi giữaelectron và hạt nặng tạo radạng hóa Plasma Những hạtnặng bị làm nóng nhẹ nhờmột số va chạm đàn hồi Do

đó năng lượng electron vẫnđược duy trì ở mức cao

1 7

Vì nhiệt độ điện tử trong hai loại plasma trên có sự khác biệt lớn nên người ta còn gọi plasma nhiệt là plasma nóng và gọi plasma phi nhiệt là plasma lạnh

1.1.3.2 Plasma tự nhiên và nhân tạo

Trong vũ trụ, hầu hết vật chất đều ở dạng Plasma Các nhà vật lý tính toán rằng:

99 % vật chất trong vũ trụ là ở trạng thái Plasma [1] Đó là các vì sao, bao gồm cả MặtTrời và chất khí giữa các vì sao Các phản ứng nhiệt hạch xảy ra bên trong các vì saochính là nguồn phát Plasma Plasma trong vũ trụ rất khác nhau và thay đổi thể loại tùytheo nhiệt độ; ví dụ từ những ngôi sao rất nóng, có mật độ vật chất bên trong đậm đặcnhư Mặt Trời, tới hào quang Mặt Trời ít nóng hơn nhiều, tới loại nguội hơn nữa nhưgió Mặt trời, thậm chí tới những loại Plasma lạnh có mật độ thấp trong khoảng khônggiữa thiên hà Những vật thể vũ trụ như Trái đất và bụi vũ trụ chỉ chiếm gần 1 %khối lượng vũ trụ Trái đất không ở trạng thái Plasma, nhưng cũng được Plasma baobọc và bảo vệ Những lớp trên cùng của khí quyển Trái đất luôn bị các tia chiếu xạ từMặt Trời và không gian tấn công và trở thành chất khí bị ion hóa - tức là Plasma.Chúng tạo thành tầng điện ly che chở vững chắc cho Trái đất, là bức tường ngăn cảncác tia tử ngoại hủy

hoại cơ thể sống có trong bức xạ Mặt Trời

1 9

mới thấy có plasma tự nhiên, tiêu biểu như tia sét trong những cơn giông bão, sét hòn

và Bắc cực quang ở các nước phương bắc gần vành đai bắc cực

Hình 1.6 Sét hòn Hình 1.7 Tia sét

Các nhà khoa học ước tính rằng, cứ mỗi giây trên khắp địa cầu lại có khoảng

100 tia sét từ các đám mây phóng xuống đất hoặc giữa các đám mây tích điện với nhau[1,

29] Những thiên thạch và sao băng khi rơi xống Trái đất với một tốc độ rất lớn sẽ néncác thành phần của không khí thành mật độ rất cao và động năng đặc biệt lớn đó sẽchuyển thành nhiệt năng khiến các phân tử khí bị chia cắt và bị ion hóa, tạo thànhplasma

Nguyên nhân khiến plasma thiên nhiên không phổ biến trên Trái đất là doplasma thường được tạo thành ở nhiệt độ cao mà nhiệt độ ở Trái đất quá thấp để có thểhình thành plasma

Có thể tạo ra plasma nhân tạo trên bề mặt Trái đất, trong phòng thí nghiệm vàtrong công nghiệp Trong một vài hoàn cảnh con người có thể đã tiếp xúc với plasma

mà không phải ai cũng biết đó là plasma Rất ít người chưa từng thấy loại plasma đượctạo trong ống chân không yếu trong đèn neon, đèn huỳnh quang, hay loại ánh sáng chóilòa của hồ quang điện khi hàn Đó là plasma được tạo ra để phục vụ đời sống conngười và sản xuất Mỗi chất khí thích hợp khi có dòng điện chạy qua có thể biến thànhplasma, plasma này phát sáng và màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của chấtkhí đó Plasma neon phát ra ánh sáng màu đỏ cam, plasma argon có màu xanh da trời[1] Ta có thể nhận được ánh sáng có màu bất kỳ chỉ cần nhờ đến plasma argon, neon

và thành phần vật chất phát quang thích hợp phủ bên trong ống đèn Khi plasma hơithủy ngân trong ống phóng điện cung cấp các tia tử ngoại thì các chất phát quang tùy

theo thành phần của mình sẽ phát ra ánh sáng rất giống ánh sáng ban ngày Ngoài ra,plasma còn

2 1

được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật như: plasma nắnthẳng dòng điện, plasma làm ổn định điện áp, plasma khuếch đại tần số siêu cao củamáy phát sóng, máy đếm hạt vũ trụ

Hình 1.8 Tivi plasma Hình 1.9 Đèn huỳnh quang

Bảng 1.2 Nhiệt độ và mật độ điện tử của một số loại plasma tự nhiên và nhân

1.1.3.3 Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu

Căn cứ vào độ ion hóa người ta phân loại plasma ra làm hai loại là: plasma ion

hóa hoàn toàn và plasma ion hóa ion hóa yếu (hay còn gọi là plasma ion hóa một

phần)

Độ ion hóa của plasma thể hiện các thành phần mang điện (ví dụ các ion dương)được đánh giá theo công thức sau [29]:

n e  n0 (1.1)

Plasma ion hóa hoàn toàn là plasma có hệ số ion hóa đạt mức độ cao nhất bằng

1 tương ứng với tỉ lệ các ion trong plasma đạt 100 % Trường hợp ion hóa hoàn toànthường xảy ra ở plasma nhiệt độ cao Lúc này tính chất của plasma được xác định bởitính chất của điện tử và ion chứa trong nó Trường hợp plasma nhiệt độ cao ion hóahoàn toàn xảy ra ở nhiệt độ rất cao như trong tâm mặt trời, trong các phản ứng nhiệthạch

Trường hợp plasma nhiệt độ thấp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra trong phóngđiện ẩn và phóng điện hồ quang

Trong khối plasma ion hóa hoàn toàn chỉ gồm các ion và electron, không có hạttrung hòa về điện Plasma ion hóa hoàn toàn thường xảy ra với trường hợp của plasmanhiệt hay plasma nóng ở nhiệt độ cao và áp suất lớn

plasma này thường xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất không cao Trong khối plasma ion hóa yếu xuất hiện cả các ion, electron và các hạt trung hòa về điện Tỉ lệ giữa

Plasma

với plasma phi nhiệt hay plasma lạnh ở áp suất thường hoặc áp suất thấp

1.2 Plasma ở áp suất khí quyển

1.2.1 Phân loại các nguồn plasma ở áp suất khí quyển

Các nguồn plasma nhân tạo ở áp suất khí quyển được tạo ra bằng cách tiếp nănglượng cho vật chất Năng lượng để phát plasma có thể ở nhiều dạng năng lượng khácnhau Plasma mất đi năng lượng vào môi trường xung quanh do quá trình va chạm vàphát xạ ánh sáng Do đó cần cung cấp năng lượng một cách liên tục để quá trình tạo raplasma diễn ra một cách liên tục Sử dụng điện năng là cách đơn giản nhất để cung cấpnăng lượng một cách liên tục, dễ kiểm soát độ chính xác về các thông số năng lượng

Chính vì vậy điện năng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong việc tạo ra

plasma nhân tạo

Phương pháp thông dụng nhất để phát plasma trong công nghệ là cung cấp nănglượng điện cho chất khí trong một buồng phản ứng plasma Điện tử sản sinh trong quátrình phát plasma sẽ được gia tốc trong điện trường ngoài và quá trình truyền nănglượng xảy ra do có sự va đập của chúng với các hạt khác trong khối plasma Sử dụngtrường điện từ cao tần trong dải tần số radio (RF) hoặc trong dải vi sóng (microwaves)

để phát plasma thu hút được sự quan tâm lớn cùa các nhà khoa học, công nghệ vàđược ứng dụng trong nhiều quá trình hóa học plasma

Có thể kể đến một số nguồn plasma phổ biến như sau:

- Nguồn plasma phóng điện corona

- Nguồn plasma phóng điện rào cản điện môi DBD

- Nguồn plasma phóng điện phát sáng DC và AC

- Nguồn plasma phóng điện RF

- Nguồn plasma phóng điện nguồn vi sóng

1.2.2 Các nguồn plasma ở áp suất khí quyển

1.2.2.1 Phóng điện tần số thấp và DC

Phóng điện phát sáng DC bình thường ở áp suất thấp giữa hai tấm điện cựctrong ống trụ thủy tinh là nguyên mẫu đầu tiên về phóng điện DC và đã được nghiêncứu mạnh mẽ từ khoảng 100 năm nay Loại phóng điện DC này thể hiện ở đặc trưngánh sáng dạ quang Phần sáng nhất của phóng điện là lớp sáng âm, chúng được tách rakhỏi catốt qua một khoảng không gian tối Giọt điện thế lớn trong khoảng tối catốtđược gọi là sự sụt thế catốt Cột dương và lớp sáng âm mở rộng về phía anốt và anốtcũng có thể được bao phủ bằng quầng sáng anốt Các ion dương sẽ được gia tốc mạnhbởi một điện trường cao ở vùng sụt thế catốt nên có động năng rất lớn Chúng chuyểnđộng va chạm vào bề mặt catốt và tạo ra các điện tử thứ cấp Các điện tử này tiếp tụcđược gia tốc bởi điện trường của vùng sụt thế catốt và chuyển động va chạm với cáchạt nặng gây ra sự kích thích và ion hóa Sự va chạm của các ion năng lượng cao với

bề mặt sẽ tạo thành các nguyên tử trung hòa và tiếp tục tạo ra điện tử thứ cấp được giatốc ở vùng sụt thế catốt

Ở khoảng tối catốt và quầng sáng điện tích âm, điện tử truyền hầu hết năng lượng củachúng cho các hạt nặng trong các va chạm không đàn hồi nhờ quá trình kích thích vàphân ly, đồng thời truyền cho các hạt mang điện mới được hình thành do ion hóa vì vađập Vùng phóng điện gần catốt (sự sụt thế catốt và vầng sáng điện âm) rất cần thiếtcho sự tự duy trì bền vững phóng điện phát sáng [1].

Hình 1.10 Nguồn plasma phóng điện DC

1.2.2.2 Phóng điện RF

Plasma phóng điện phát sáng tần số radio (RF-GD) là một trong các nguồnplasma được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ xử lý bề mặt vì nó có thể tạo ramột thể tích lớn plasma bền vững Phóng điện RF được phân chia thành hai loại tùythuộc vào cách lắp đặt nguồn RF nối với tải: mắc nối cảm ứng hay mắc nối điện dung

Cả hai loại đều có thể sử dụng điện cực trong hay điện cực ngoài Sử dụng điện cựcngoài là kiểu mắc được sử dụng rộng rãi cho nguồn RF Trong phóng điện RF mắc nốiđiện dung, các điện cực được bao phủ bởi một vùng bao bọc bên ngoài tương tự nhưvùng tối catôt trong phóng điện phát sáng DC Khối plasma nằm trong khu vực ở giữacác điện cực Plasma RF mắc nối cảm ứng được sinh ra qua một điện trường do dòng

RF tạo ra trong một cuộn cảm ứng Sự thay đổi từ trường trong cuộn cảm ứng này tạo

ra một điện trường làm gia tốc điện tử của plasma

Thông thường, phóng điện phát sáng RF sử dụng tần số 13,56 MHz, áp suất

phát

nhiệt độ ion rất thấp Plasma RF có độ đồng nhất tương đối tốt Plasma RF được ứngdụng rất thành công trong công nghệ lắng đọng màng mỏng tăng cường bằng plasma,khắc bằng phương pháp ăn mòn plasma và trong phún xạ vật liệu điện môi

Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo nguồn

Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma vi sóng ECR

có tần suất va đập cao giữa ion và điện tử Tuy nhiên, phân bố plasma không thật đều[1]

1.2.3 Plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ

Ở áp suất khí quyển, plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ(LTE) cũng mang những tính chất cơ bản nhất của plasma nhiệt nói chung Tuy nhiên,plasma nhiệt ở áp suất khi quyển có những những đặc điểm hơi khác với plasma nhiệtnói chung Có thể kể đến những đặc điểm của plasma nhiệt áp suất khí quyển:

Độ ion hóa không phải lúc nào cũng đạt 100 % như chuẩn plasma ion hóa hoàntoàn Nhìn chung, độ ion hóa của plasma nhiệt áp suất khí quyển chỉ tiệm cận mức ionhóa hoàn toàn [29]

Mật độ điện tử thấp so với một số plasma nhiệt áp suất cao Ví dụ mật độ điện

lớn để làm giảm điện trở suất của plasma nhiệt áp suất khí quyển Mật độ điện tử đủlớn sẽ tạo điều kiện cho quá trình cân bằng nhiệt động diễn ra nhanh do xác suất vachạm giữa các hạt cao

Điều kiện cần thiết để tạo thành plasma nhiệt là áp suất làm việc phải đủ lớn,thường là trên 10 kPa [3] Áp suất cao tạo điều kiện cho một số lượng rất lớn va chạmgiữa các phần tử, dẫn đến sự phân phối lại năng lượng để plasma trở về trạng thái cânbằng nhiệt động nhanh chóng Plasma nhiệt áp suất khí quyển có thể hình thành ngay ở

áp suất thường bằng áp suất khí quyển vào khoảng 101325 Pa (1.01325 bar), tươngđương 760 mmHg (Torr) [29], ví dụ như tia sét

Plasma nhiệt ở áp suất khí quyển có nhiệt độ điện tử cao, tỏa sáng và tỏa nhiệtmạnh, ví dụ như hồ quang điện

Trong khối plasma nhiệt áp suất khí quyển vẫn có thể tồn tại các hạt trung hòa

về điện với tỉ lệ thấp

Plasma nhiệt áp suất khí quyển có thời gian tồn tại không dài Nguyên nhânchính là do hiện tượng tái hợp ion giữa electron và ion dương và hiện tượng khuếch tánion ra xung quanh diễn ra nhanh Một nguyên nhân phụ là sự suy giảm năng lượng do

va chạm với các hạt trung tính khác trong môi trường và bị chúng hấp thụ năng lượng[29, 1]

Plasma nhiệt áp suất khí quyển tiêu biểu là sét và hồ quang

ở mức độ

quyển hiện nay chủ yếu bao gồm hồ quang điện, máy cắt plasma và plasma xungphóng điện.

1.2.4 Plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt động học cục bộ LTE)

(non-Ở áp suất khí quyển, plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt độngmang những đặc điểm cơ bản của plasma phi nhiệt Tuy nhiên do điều kiện tạo thànhkhác biệt nên nó cũng có những đặc trưng riêng Có thể kể đến một số điểm nổi bật củaplasma phi nhiệt ở áp suất khí quyển như sau:

Plasma phi nhiệt áp suất khí quyển có độ ion hóa thấp dưới 10 % Đặc biệt

quyển là plasma ion hóa yếu [29]

trao đổi năng lượng diễn ra không mạnh mẽ Đây là nguyên nhân chính dẫn tới sựkhông cân bằng nhiệt động giữa điện tử và các hạt còn lại [29]

Áp suất làm việc dưới 10 kPa Áp suất này để hạn chế sự va chạm giữa các hạttrong hệ nhiệt động

Nhiệt độ của plasma loại này thấp dẫn tới tỏa nhiệt và tỏa sáng yếu, ví dụ nhưplasma jet trình bày ở chương sau

Vì những lý do trên plasma phi nhiệt áp suất khí quyển ít gây ảnh hưởng xấu tớimôi trường xung quanh

Hình 1.16 Plasma lạnh là một dạng plasma phi nhiệt áp suất khí quyển [29]

1.3 Ứng dụng của plasma lạnh ở áp suất khí quyển

Trong y học, plasma lạnh ở áp suất khí quyển cho phép sinh ra một nồng độ rấtcao các hoạt chất hóa học trong khi vẫn giữ nhiệt độ phòng [1] Nó xác định những ứngdụng thích hợp của plasma phi nhiệt thường là cơ chế chống đông máu và sửa chữa cácthành phần và tính chất của máu, khử trùng da và các mô sống khác; khử trùng cácdụng cụ y tế và các vật liệu và thiết bị dễ vỡ; xử lý polymer sinh học; kĩ thuật mô; vàchữa lành vết thương và các bệnh mà trước đây điều trị chưa có hiệu quả Cuối nhữngnăm

1960, plasma lạnh được quan tâm nghiên cứu ứng dụng như một công cụ tạo ra các vậtliệu có bề mặt đã xử lý có tính hòa hợp sinh học cao Công nghệ plasma ứng dụngtrong chăm sóc sức khỏe hiện nay tương đối phát triển Nhiều công nghệ triển vọng vànhiều loại bề mặt biến tính đã tạo nên các vật liệu rất mới trong y sinh, trong đó không

ít loại đã được thương mại hóa, ví dụ chất liệu của răng cấy đã được biến tính phủ bềmặt để răng cấy hòa hợp với các chất dịch cơ thể như nước bọt và dịch của mô [29]

Một số ví dụ khác về các sản phẩm của công nghệ plasma trong lĩnh vực y sinhbao gồm các loại bề mặt được chức năng hóa nhằm nâng cao khả năng bám dính cho tếbào sống, các lớp phủ chống bám bẩn nhằm ức chế hoàn toàn sự bám của các phân tửsinh học, tế bào, vi khuẩn không mong muốn , các lớp lót để cố định peptit, enzym,kháng sinh và các loại phân tử sinh học khác

Việc điều trị trực tiếp plasma, có nghĩa là sử dụng chùm plasma trực tiếp lên môsống Plasma lạnh trong không khí ở áp suất khí quyển để xử lý với động vật sống vàcon người đòi hỏi chặt chẽ về biện pháp an toàn Để giải quyết hiệu quả những vấn đềnày cũng là một thách thức quan trọng đối với plasma y khoa [1]

Plasma nói chung có các hạt điện tích có năng lượng cao và các điện tử tự do[29] Con người đã sử dụng những đặc điểm này vào trong công nghiệp Kỹ thuậtplasma lạnh ở áp suất thường và áp suất thấp mới được ứng dụng trong giai đoạn gầnđây trong gia công, trong xử lý làm biến tính bề mặt vật liệu Những ứng dụng quantrọng mang tính kinh tế cao như chế tạo vi mạch điện tử đã và đang là động lực để pháttriển ngành công nghiệp chế tạo các thiết bị điện tử kỹ thuật số Plasma lạnh được ứngdụng vào trong kỹ thuật chế tạo các bộ phận của ô tô.

Hình 1.18 Ứng dụng plasma trong chế tạo các bộ phận ô tô

Polyme có nhiều tính chất rất tốt nhưng polyme lại có đặc trưng là có nănglượng bề mặt thấp [1] Đó là nguyên nhân vì sao chất lỏng lại tạo thành giọt trên bềmặt polyme

thay vì thấm ướt và cũng là nguyên nhân khiến các lớp mỏng phủ lên bề mặt polymebám dính rất kém Nhưng nếu bề mặt polyme dược hoạt hóa và chức năng hóa bằngcách đặt vào một môi trường plasma thích hợp, năng lượng bề mặt sẽ tăng lên vànhược điểm trên có thể giải quyết được [37] Nguyên lý trên có rất nhiều ứng dụngtrong công nghiệp để mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao tính chất của các sảnphẩm chất dẻo, ví dụ trong các lĩnh vực bao bì, chăm sóc sức khoẻ, dệt may Tronglĩnh vực dệt may, sử dụng công nghệ plasma thay thế cho phương pháp xử lý hóa họcướt độc hại để xử lý vải dệt có thể giúp tạo thành bề mặt vải không thấm nước, thấmdầu, giữ cho vải sạch, đồng thời tránh đựợc vấn đề ô nhiễm môi trường [38] Trongtrường hợp sợi xenlulo, ví dụ như sợi cotton, hoặc màng polyetylen, xử lý bề mặt bằngplasma oxy có thể nâng cao một cách cơ bản độ thấm phủ, tạo điều kiện cho phân tửthuốc nhuộm hoặc mực in bám dính tốt hơn lên bề mặt.

Hình 1.19 Ảnh SEM của polypropylen ban đầu (a) và sau khi xử lý plasma 1 phút (b);

3 phút (c); 5 phút (d); 7 phút (e) [1].

Với tiềm năng đa dạng chưa được nghiên cứu hết, các nhà khoa học đặt rấtnhiều hi vọng vào plasma lạnh trong việc ứng dụng vào đa lĩnh vực trong tương lai,phục vụ cuộc sống con người

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

Trong phần này, tôi xin giới thiệu một thiết bị plasma jet PlasmaMed-01T Đây

là nguồn phát plasma ở áp suất khí quyển đang được sử dụng phục vụ công tác nghiêncứu khoa học tại Phòng Vật lý Plasma thuộc Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học vàCông nghệ Việt Nam Đây là nguồn plasma đã được sử dụng trong luận văn này

Hình 2.1 Thiết bị plasma jet PlasmaMed-01T [30]

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động chung

Thiết bị plasma jet này hoạt động dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quangtrượt Hồ quang trượt là hiện tượng phóng điện tự dao động định kì giữa cặp điện cựcphân kì đặt chìm trong dòng khí

Plasma bắt đầu được hình thành ở nơi có khoảng cách giữa hai điện cực gầnnhất tạo thành một cột plasma Cột plasma này bị kéo dài ra bởi dòng khí thổi quahướng đến phần hạ lưu phân kì Vùng ánh sáng hồ quang của cột plasma giãn ra cùngvới sự gia tăng của khoảng cách giữa các điện cực cho đến khi nó bị dập tắt Nhưngplasma lại tự

tái tạo ở vị trí có khoảng cách gần nhất giữa hai điện cực để bắt đầu một chu kì mới[30] Plasma hồ quang trượt có thể là nhiệt hoặc phi nhiệt, tùy thuộc vào năng lượng

và tốc độ dòng khí

Hình 2.2 Minh họa (a) và ảnh chụp sự phóng điện hồ quang trượt (b)

Plasma hồ quang trượt cũng có thể vận hành trong chế độ chuyển tiếp cụ thể khibắt đầu phóng điện thì là plasma nhiệt nhưng cùng với sự vận động của thời gian vàkhông gian lại trở thành sự phóng điện phi nhiệt [1]

2.1.2 Cấu tạo

a) Khối điều khiển và hiển thị bao gồm:

- Bộ điều khiển trung tâm (PLC): Bộ điều khiển nhận lệnh từ màn hình cảm ứng

và pê-đan để điều khiển hai rơ-le Ngoài ra bộ điều khiển này còn nhận lệnh từ sensor

áp suất để ra quyết định có tiếp tục hoạt động hay dừng

- Màn hình cảm ứng: Hiển thị trạng thái làm việc từ bộ điều khiển trung tâm và

ra lệnh cho bộ điều khiển trung tâm làm việc

- Hai rơ-le: điều khiển hoạt động của nguồn cao áp và van điện từ.

- Pê-đan: có tác dụng như một công tắc đóng mở hệ thống Khi đạp pê-đan lần

thứ nhất thì máy sẽ bắt đầu phát tia plasma, khi đạp pê-đan lần hai thì máy ngừng pháttia plasma

Hình 2.3 Sơ đồ khối cấu tạo của plasma jet hồ quang trượt, lạnh

b) Nguồn nuôi plasma

Nguồn điện nuôi plasma là một nguồn cao áp có cấu tạo là một máy biến thếcao áp để biến đầu vào xoay chiều 220 V thành dòng điện xoay chiều 2 kV Với cáchmắc như thế này thì công suất của nguồn hơi lớn dẫn tới nhiệt độ của đầu phun plasmavượt ngưỡng nhiệt độ phòng

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý nguồn điện nuôi công suất nhỏ

Mục tiêu đề ra của thiết bị là phát ra plasma lạnh áp suất khí quyển có nhiệt độvào khoảng nhiệt độ phòng Từ đó một vấn đề phát sinh lúc này là làm thế nào để giảmcông suất của nguồn Để giải quyết vấn đề này, ta lắp thêm vào đầu ra của biến áp mộtđi-ốt cao áp và một tụ điện cao áp Khi đó đầu ra của nguồn sẽ là dòng điện một chiềubiến thiên và có giá trị thế tối đa là 4 kV