Niedertemperaturplasma. Allgemeine Begriffe, Eigenschaften, Anwendung.
| Als Plasma wird ein quasineutrales Gas geladener und neutraler Teilchen bezeichnet, deren Konzentration dafür ausreichend ist, ihre Bewegung durch die durch sie erzeugte Raumladung einzuschränken.
Zur Erfüllung dieser Bedingung ist es erforderlich, dass die charakteristische Plasmagröße L0 sehr viel größer ist als die charakteristische Abschirmgröße (Debye-Radius) rD – Abstand, in dem die Quasineutralität durch die thermische Bewegung der Teilchen gestört wird. Wenn bei einer zufälligen Bewegung mit thermischen Geschwindigkeiten eine Ladungstrennung in einem Abstand erfolgt, der größer als rD ist, wird die Quasineutralität des Mediums unter Einwirkung der elektrischen Felder der Raumladung wiederhergestellt. Der Terminus «quasineutrales Plasma» bedeutet, dass die Anzahl der unkompensierten (nicht ausgeglichenen) Ladungen im Raum L03 sehr viel geringer ist als die Gesamtzahl der Ladungen. |
| In Abhängigkeit von den Plasmaparametern werden verschiedene Methoden für dessen Beschreibung verwendet.
Nach dem Ionisierungsgrad wird zwischen schwach ionisiertem, stark ionisiertem und vollständig ionisiertem Plasma unterschieden. Dieser wird mit Hilfe der relativen Elektronenkonzentration ne ⁄ n0 ermittelt, dabei ist n0 die Anzahl der schweren Teilchen – Atome und Ionen. |
| In technologischen Prozessen wird hauptsächlich schwach ionisiertes Plasma verwendet. In schwach ionisiertem Plasma werden chemische Kinetik, Übertragung, Zusammenstöße und andere elementare Prozesse durch die individuellen Eigenschaften der neutralen Atome und Moleküle bestimmt. So werden die plasmabildenden Medien unterschieden, beispielsweise Intergase, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Wasserdampf u.a. |
| Bei einer Verwendung von Molekülgasen als plasmabildendes Medium wird die Energie von der externen Quelle zunächst an die Elektronenkomponente des Plasmas übertragen; danach überträgt das Elektronengas die gewonnene Energie im Verlaufe der Erwärmung, Anregung der inneren Atom- und Molekülfreiheitsgrade, Ionisierung und Dissoziation an die schweren Teilchen, wobei eine großen Zahl von reaktionsfähigen Teilchen entsteht. Genau diese Plasmazustände bestimmen in ihrer Gesamtheit zusammen mit den thermodynamischen, optischen und Transporteigenschaften die chemische und katalytische Aktivität des Plasmas, d.h. die Fähigkeit zur Durchführung zielgerichteter chemischer Veränderungen im gasförmigen Ausgangsmedium bzw. in dem im Plasma befindlichen Stoff, wobei verschiedene chemische Umwandlungen in den technologischen Prozessen erfolgen. Dabei spielt die Elektronenkomponente des Plasmas die entscheidende Rolle.
Anmerkung. Die Prozesse von Massenübertragung, Ladung, Impuls und Energie im Plasma, die durch die Inhomogenität der Plasmaparameter ausgelöst werden, d.h. durch das Vorliegen von Raumgradienten (Dichte, Geschwindigkeit und Temperatur) sowie durch das Vorhandensein von externen Feldern (beispielsweise elektrischen und magnetischen), werden unter der allgemeinen Bezeichnung Übertragungsphänomen (Transporteffekt) zusammengefasst. |
| Eine Gewinnung von Plasma mit einer Temperatur von 7.000 – 30.000 K, dessen Stabilisierung im Raum (tatsächlich hat das verwendete Plasma immer Schlussmaße) und eine Verwendung in nahezu jeglichen gasförmigen Medien ist mit Anlagen möglich, die als Niedertemperaturplasma-Generatoren oder Plasmabrenner bezeichnet werden.
Plasmabrenner werden nach der Art der elektrischen Entladung, der Speisestromfrequenz und der Art der Speisungsquelle in vier große Gruppen eingeteilt: Lichtbogen-Plasmabrenner (Gleich- oder Wechselstrom), Hochfrequenz-Plasmabrenner (Induktions- oder Kapazitäts-Plasmabrenner), Ultrahochfrequenz-Plasmabrenner und Hybrid-Plasmabrenner. |
| Die Maximaltemperaturwerte des Plasmas sind in den verschiedenen plasmabildenden Gasen unterschiedlich, aber vom Wert her ähnlich, und von der Leistung pro Volumeneinheit der Plasmabildung abhängig.
Die Anwendungsverfahren von Niedertemperaturplasma beruhen auf der Wechselwirkung des Plasmas und dem kondensierten Stoff (Feststoff, Flüssigkeit oder Dispersion), Gas und Elektromagnetfeld. Die praktischen Anwendungen von Niedertemperaturplasma sind gegenwärtig ein schwer überschaubarer Bereich der Technik. Wir erwähnen hier nur diejenigen, die direkt oder indirekt mit der Arbeit der Firma „PLAZARIUM“ in Verbindung stehen. Das sind verschiedene Anwendungen von Niedertemperaturplasma als Arbeitskörper in Systemen zur Umwandlung von Wärmeenergie in Elektroenergie; Schaffung von Vorrichtungen und Plasmageneratoren, in denen ein Lichtbogen zur Erzeugung von Plasmastrahlen verwendet wird; Verwendung von Niedertemperaturplasma als aktives Medium; plasmaenergetische Verfahren zur Kraftstoffbearbeitung; Verwendung von Plasma zur Gewinnung von dispersen Materialien, Bearbeitung von Pulvern und Herstellung von Beschichtungen, Oberflächenmodifikationen von Polymermaterialien; Verwendung von Plasma zur Lösung verschiedener Aufgaben der angewandten Chemie (hier wird oft der Begriff „Plasmachemie“ verwendet); Verwendung von Niedertemperaturplasma in der Ökologie. |
| Dieser Abschnitt wurde für Laien verfasst, die die Rolle von Plasmatechnologien in der modernen Technik und deren Entwicklung auf kurze Sicht besser verstehen wollen. Informationen aus Primärquellen zu diesem Abschnitt finden Interessenten hier: Entziklopedija nizkotemperaturnoj plazmy [Enzyklopädie des Niedertemperaturplasmas]. Vvodnoj tom [Einführungsband] 1-5. – Izdatel´stvo „Nauka“ [Verlag „Wissenschaft“], 2000. |