Chương 1. Khái quát về plasma 1. Sự tạo thành plasma Đã từ lâu, con người biết đến sự tồn tại của vật chất chủ yếu ở ba dạng rắn, lỏng và khí. Khi cung cấp năng lượng, quá trình chuyển hóa theo chiều từ rắn đến lỏng và đến khí.
Tại trạng thái khí nếu tiếp tục cung cấp năng lượng đủ lớn, quá trình va chạm giữa các hạt trong chất khí đủ mạnh khiến chúng vỡ thành từng phần tạo ra các hạt mang điện tích là ion và electron. Đây được xem là trạng thái thứ tư của vật chất, trang thái ion hóa hay trạng thái plasma [2]. Ở trạng thái plasma lúc đầu người ta quan niệm rằng đó là trạng thái bao gồm các hạt ion và các electron. Tuy nhiên, qua nhiều nghiên cứu về các trạng thái khác nhau của plasma người ta đã nhận ra rằng một số dạng plasma ở các điều kiện khác nhau ngoài ion và electron còn có cả các hạt trung tính, các gốc tự do [51].
Như vậy, có thể thấy khái niệm plasma được mở rộng và có thể xem plasma là trạng thái một hệ tựa trung tính toàn thể bao gồm những hạt mang điện như electron, ion và các hạt trung tính bao gồm các hạt nguyên tử, phân tử cũng như các gốc tự do và cả photon [22]. Phân loại plasma Tuỳ thuộc vào sự tương tác mạnh yếu giữa các hạt, mật độ electron và quá trình nhiệt động trong hệ sẽ dẫn tới hình thành các dạng plasma khác nhau. Một hệ plasma được quyết định bởi các đặc tính như nhiệt độ và mật độ của electron, ion, bước sóng Debye, tần số plasma, sự che chắn ion, số lượng và các loại gốc tự do có trong hệ. Dựa vào những đặc điểm nhiệt động học người ta có thể phân loại plasma theo nhiệt độ thành hai loại cơ bản là: plasma nhiệt (thermal plasma) hay còn gọi là plasma cân bằng nhiệt và plasma lạnh (non-thermal plasma) hay còn gọi là plasma không cân bằng nhiệt [76].
Dựa vào tính chất hóa lý, người ta có thể phân loại plasma thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 plasma hóa học (plasma chemistry) [42] và plasma vật lý (plasma physics) [25]. Dựa vào nguồn gốc hình thành, người ta có thể phân loại thành plasma tự nhiên và plasma nhân tạo [5]. Plasma nhiệt tồn tại trong tự nhiên như mặt trời và các vì sao. Con người cũng có thể tạo được plasma nhiệt trong phòng thí nghiệm như trong lõi của các lò phản ứng hạt nhân [70].
Plasma nhiệt có đặc điểm là đạt được trạng thái cân bằng nhiệt giữa các hạt ion, electron và các hạt trung tính, nói cách khác nhiệt độ của các hạt electron bằng nhiệt độ của các hạt nặng (Te = Th). Mật độ electron trong plasma nhiệt độ cao có thể đạt từ 1021 ÷ 1026 /m3. Va chạm không đàn hồi giữa các electron và các hạt nặng tạo ra những dạng phản ứng plasma, va chạm đàn hồi làm các hạt nặng nóng lên và electron bị mất dần năng lượng. Plasma nhiệt có nhiệt độ rất cao, cụ thể nhiệt độ plasma bên trong các vì sao đạt xấp xỉ 108 K, trong lò phản ứng nhiệt hạch có thể đạt đến 1012 ÷ 1014 K, còn trong lõi hồ quang nhiệt độ đạt đến 104 K.
Năng lượng electron trong plasma của lò phản ứng hạt nhân có động năng trung bình khoảng 10 keV. Điều kiện cần thiết để tạo plasma nhiệt độ cao là áp suất của hệ phải đủ lớn, thường là trên 10 kPa. Áp suất cao tạo điều kiện cho một số lượng lớn va chạm giữa các phần tử, dẫn đến sự phân phối lại năng lượng và trạng thái cân bằng năng lượng đạt được nhanh chóng giữa các phần tử [74]. Plasma lạnh có thể tồn tại trong tự nhiên như sự phóng điện từ tầng điện li của trái đất.
Con người cũng tạo được plasma lạnh nhờ quá trình phóng điện. Đặc điểm của dạng plasma này là không đạt được trạng thái cân bằng nhiệt động; nhiệt độ của electron (Te) lớn hơn nhiều lần nhiệt độ của các hạt ion (Ti) và khí trung hoà (Tg) (Te >> Ti, Tg ); mật độ electron thấp < 109/m3; va chạm không đàn hồi giữa electron và những hạt nặng tạo ra plasma, những hạt nặng được làm nóng nhẹ nhờ các va chạm đàn hồi, do đó electron vẫn ở trạng thái nhiệt độ cao vì chỉ mất một phần nhỏ năng lượng. Quá trình phóng điện LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 phát sáng Te đạt 10. Áp suất của plasma nhiệt độ thấp thường dưới 10 kPa để hạn chế sự va chạm giữa các hạt trong hệ.
Năng lượng electron trung bình của plasma nhiệt độ thấp có giá trị khoảng 0,5÷5 eV [69]. Tính chất của plasma a. Độ ion hóa Như đã biết plasma là một hệ tựa trung tính, có sự cân bằng giữa các điện tích âm và điện tích dương. Độ ion hóa (α) của plasma phản ánh trạng thái nhiệt động của hệ và các thành phần trong hệ, độ ion hóa được đánh giá theo công thức sau: ne α= (1.1) ne + no Trong đó ne : mật độ của electron, no: mật độ của chất khí trung tính Mật độ ion hóa có thể đạt được khác nhau từ 100% đến 10-4 ÷10-6 tức là khí ion hóa hoàn toàn hoặc khí ion hóa từng phần.
Plasma nhiệt có trạng thái ion hóa xảy ra hoàn toàn hoặc gần như hoàn toàn. Ngược lại plasma lạnh có trạng thái ion hóa chỉ xảy ra một phần nhỏ [26]. Bán kính Debye Một tính chất quan trọng khác nữa của plasma là bán kính Debye. Plasma là tập hợp của một số lớn các hạt mang điện tích âm hoặc dương, mỗi hạt tích điện sẽ có một ảnh hưởng nhất định đến tập hợp các hạt còn lại.
Khi mật độ hạt trong plasma loãng, các hạt ở cách xa nhau nên có thể bỏ qua tương tác giữa chúng và chuyển động của các hạt chịu tác động của trường lực bên ngoài. Lúc này hệ plasma có thể xem là hệ gồm các hạt độc lập. Ngược lại, khi các hạt tích điện đạt đến một mật độ nhất định, sự tương tác giữa các hạt sẽ xảy ra. Khi đó có thể xem toàn bộ không gian xung quanh hạt tích điện luôn tồn tại điện trường Coulumb.
Điện trường này không kéo dài vô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 tận mà bị giới hạn bởi một khoảng cách nào đó lớn hơn nhiều khoảng cách trung bình giữa các hạt. Khi điện trường của hạt mang điện trong plasma chỉ có trong khối cầu được gọi là khối cầu Debye, được đặc trưng bởi bán kính Debye (rD) hay còn gọi là bước sóng Debye: T rD = (1.2) n Trong đó : T là nhiệt độ tuyêt đối, n là mật độ electron Trong môi trường điện môi, bán kính Debye được tính theo công thức: ε o kTe rD = (1.3) eo2 ne Trong đó eo là điện tích cơ bản, ε o là hằng số điện môi của khoảng trống, k là hằng số Boltzmann, Te nhiệt độ của electron, ne là mật độ electron. Từ công thức có thể thấy bán kính Debye tỉ lệ thuận với hằng số điện môi và nhiệt độ và tỉ lệ nghịch với mật độ electron. Bán kính Debye là thông số quan trọng của plasma, điện trường của hạt sẽ không còn tồn tại bên ngoài khối cầu, các hạt trong plasma chỉ tương tác với nhau khi chúng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bán kính Debye.
Bán kính Debye đặc trưng cho khoảng cách hiệu dụng tương tác giữa các hạt. Khối cầu Debye được xem như một đơn vị thể tích trong đó chứa rất nhiều các hạt mang điện của plasma. Một hệ plasma tồn tại khi kích thước của nó lớn gấp nhiều lần bước sóng Debye, nói một cách khác plasma là một tập hợp các khối cầu Debye [4]. Sự tương tác giữa các hạt trong plasma Sự va chạm electron với phân tử khí trung hoà (Bảng 1.1) [4]: Sự va chạm đàn hồi giữa electron với phân tử hoặc nguyên tử là những va chạm phổ biến nhất trong plasma.
Khi năng lượng electron vượt quá vài eV thì tiết diện va chạm đàn hồi sẽ giảm theo sự tăng lên của vận tốc electron. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Sự trao đổi điện tích: Một dạng tương tác quan trọng khác giữa các hạt trong plasma là sự trao đổi điện tích từ ion chuyển động nhanh sang cho các nguyên tử hoặc phân tử chuyển động chậm dẫn đến ion có năng lượng cao có thể chuyển thành phần tử trung hoà, ion mới có năng lượng thấp được hình thành trong plasma làm cho plasma lạnh đi. Sự kích thích: Khi va chạm với một hạt nặng, electron có thể gây ra sự kích thích các hạt đó, nhờ vậy hạt sẽ có năng lượng cao hơn so với trước khi va chạm. Nguyên tử ion hay phân tử đã được kích thích có thể chuyển về trạng thái không kích thích ở mức năng lượng nhỏ hơn.
Nhờ sự chuyển về đó, một lượng tử ánh sáng-photon sẽ được phát xạ. Sự ion hóa: Quá trình ion hóa là sự tách electron khỏi nguyên tử hoặc phân tử khí, đóng một vai trò đặc biệt, thiếu quá trình ion hóa thì không thể có plasma. Quá trình ion hóa diễn ra phân cấp. Đầu tiên, các electron ở lớp ngoài cùng liên kết yếu nhất với hạt nhân bị tách khỏi nguyên tử, sau đó đến các electron ở lớp bên trong.
Có hai kiểu ion hóa: với plasma đậm đặc, sự ion hóa chất khí gây ra do tác dụng va chạm giữa các nguyên tử hoặc phân tử trung hoà với các electron; với plasma loãng, tác dụng bức xạ sóng cực ngắn là nguyên nhân gây ra sự ion hóa. Sự tái hợp: Sự tái hợp là quá trình kết hợp ion với electron để trở thành phân tử hoặc nguyên tử trung hoà. Quá trình này được coi là quá trình ngược với quá trình ion hóa. Các electron và các ion dương hoặc các ion có điện tích trái dấu có thể tái hợp với nhau, đôi khi quá trình này có kèm theo bức xạ.
Plasma có thể ở trạng thái ion hóa hoàn toàn hay một phần. Khi duy trì plasma ion hóa chưa hoàn toàn bằng những điều kiện bên ngoài không đổi theo thời gian thì plasma sẽ đồng thời xảy ra sự ion hóa và tái hợp. Lúc đó trong plasma sẽ thiết lập một trạng thái mà vận tốc ion hóa bằng vận tốc tái hợp, tức là mật độ các electron và các ion sẽ không thay đổi theo thời gian. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Trạng thái này gọi là trạng thái dừng.
Một số trường hợp trạng thái dừng trùng với trạng thái cân bằng nhiệt động [21]. Các va chạm diễn ra trong plasma Mô tả Va chạm Kích thích các nguyên tử e- + A A*/m + e- (1.4) Huỷ kích thích tự phát A*/m A + hv (1.