CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN 1. Tổng quan về vật lý plasma 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 đời cuốn sách lý thuyết vật lý đầu tiên đầy đủ nhất về khí tích điện (Die Elektrizitaet in Gasen) 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]. Jonhannes Stark Hình 1. Irving Langmuir Trong trạng thái plasma đa số phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân.
Các electron không còn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nữa nên chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phải là vật chất phổ biến trên Trái đất nhưng các nghiên 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]. Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 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 trạng thái khí.
Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cao hơn nữa thì quá trình va chạm giữa các hạt trong chất trở nên đủ mạnh khiến các hạt vỡ thành từng phần tạo thành các hạt mang 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 khối Plasma có số lượng cân bằng nhau giữa điện tích âm và điện tích dương. Một đặc trưng đáng kể đến đầu tiên của Plasma là các hạt tích điện và có năng lượng cao.
Do đó môi trường Plasma có thể phát ra ánh sáng từ bức xạ hồng ngoại với bước sóng vài trăm micromet tới bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại. Plasma ở nhiệt độ cao thậm chí còn có thể bức xạ một số bức xạ bước sóng ngắn hơn cả tia tử ngoại [1]. Các ứng dụng cơ bản của plasma Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp nhờ hệ thống thiết bị máy móc hiện đại, tạo cơ hội cho việc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, laser, đèn huỳnh quang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô bệnh và nhiều ứng dụng khác. Rất nhiều các bộ phận của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay được sản xuất dựa trên công nghệ 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 thể vượt 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 đòi hỏi môi trường nhiệt độ cao duy trì liên tục thì plasma là lựa chọn có thể nghĩ đến đầu tiên [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 y học, plasma với nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn có thể dễ dàng đốt cháy và cắt các 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 - Bên trong plasma có các phần tử hoạt chất (electron, các ion dương và âm, các nguyên 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 các hoạt chất là vô cùng cần thiết cho các ứng dụng plasma đóng vai trò nguồn để sinh ra tia lửa điện và đốt cháy, sinh ra ozon để làm chất ô xi hóa [1, 20, 21]. Trong y tế, việc tạo 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 bằng nhiệt động lực học. Do đó nó có thể cho phép một nồng độ rất cao các thành phần hoạt chất có trong plasma mà vẫn duy trì nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng. Đặc tính này là riêng biệt của plasma. Đặc tính này được sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử và bán dẫn.
Đa số các linh kiện của máy tính, điện thoại di động, tivi, đèn ánh sáng lạnh được sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh. Đặc tính này của plasma cũng được ứng dụng trong việc xử lý bề mặt polyme. Trong y học, plasma tạo ra môi trường hoạt chất hóa học nồng độ rất cao khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho việc điều trị đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khử khuẩn da và các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trước đây 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 thể ứng dụng plasma.
Trong thực tế hiện nay ứng dụng của plasma vẫn đang tiếp tục được phát triển sang các ngành sản xuất khác và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y học. Phân loại plasma 1. Plasma nhiệt và phi nhiệt Cách phân loại Plasma quan trọng nhất là phân loại theo tính chất nhiệt động của hệ Plasma. Theo quan điểm này Plasma bao gồm Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt.
Plasma nhiệt là plasma cân bằng nhiệt động [1, 29], nghĩa là nhiệt độ electron cân bằng với nhiệt độ của các ion khác có trong plasma. Plasma phi nhiệt là plasma không cân bằng nhiệt động, nghĩa là nhiệt độ electron cao hơn nhiều so với nhiệt độ các ion khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 có trong plasma.1 là sơ lược về cách phân loại Plasma theo hai loại nêu trên: Bảng 1. Những đặc trưng của Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt [1]. Plasma LTE Plasma không LTE Loại Plasma (Plasma nhiệt) (Plasma phi nhiệt) Nhiệt độ electron ( Te ) Te Th Te Th và nhiệt độ hạt nặng ( Th ) Mật độ điện 1021 1026 hạt/m3 Dưới 109 hạt/m3 tử Tính chất Va chạm không đàn hồi giữa Va chạm không đàn hồi giữa các electron và các hạt nặng electron và hạt nặng tạo ra Sự va chạm tạo ra những dạng phản ứng dạng hóa Plasma.
Những hạt giữa các loại Plasma. Trong khi đó những nặng bị làm nóng nhẹ nhờ hạt trong va chạm đàn hồi không làm một số va chạm đàn hồi. Do Plasma nóng các hạt nặng. Năng đó năng lượng electron vẫn lượng của electron bị mất dần được duy trì ở mức cao.
Ở trung tâm của Plasma hồ Plasma tạo ra do hiện tượng quang: phóng điện phát sáng: Te Th 10.000K Th 300K 1000K Ví dụ điển hình Hồ quang Plasma lạnh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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 Mặt Trời và chất khí giữa các vì sao.
Các phản ứng nhiệt hạch xảy ra bên trong các vì sao chính là nguồn phát Plasma. Plasma trong vũ trụ rất khác nhau và thay đổi thể loại tùy theo nhiệt độ; ví dụ từ những ngôi sao rất nóng, có mật độ vật chất bên trong đậm đặc như Mặt Trời, tới hào quang Mặt Trời ít nóng hơn nhiều, tới loại nguội hơn nữa như gió Mặt trời, thậm chí tới những loại Plasma lạnh có mật độ thấp trong khoảng không giữa 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 bao bọc và bảo vệ. Những lớp trên cùng của khí quyển Trái đất luôn bị các tia chiếu xạ từ Mặt 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 cản các tia tử ngoại hủy hoại cơ thể sống có trong bức xạ Mặt Trời. Mặt trời có thành phần vật chất Hình 1.
Bắc cực quang chủ yếu là Plasma Trái ngược với trong vũ trụ có tới 99 % vật chất tồn tại ở trạng thái plasma, vì nhiệt độ và áp suất khí quyển Trái đất thấp nên sự hình thành plasma khó khăn hơn nhiều dẫn tới có rất ít plasma tự nhiên gần Trái đất. Chỉ trong những điều kiện bất bình thường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 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. 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 nén các thành phần của không khí thành mật độ rất cao và động năng đặc biệt lớn đó sẽ chuyển thành nhiệt năng khiến các phân tử khí bị chia cắt và bị ion hóa, tạo thành plasma.
Nguyên nhân khiến plasma thiên nhiên không phổ biến trên Trái đất là do plasma thường được tạo thành ở nhiệt độ cao mà nhiệt độ ở Trái đất quá thấp để có thể hình thành plasma. Có thể tạo ra plasma nhân tạo trên bề mặt Trái đất, trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.