Metalurgie cu plasma - extracția minereului, topirea și prelucrarea metalelor și aliajelor, sub influența plasmei.
Plasma - a patra stare a materiei în care electronii sa desprins și a câștigat libertatea deplină de mișcare. După ce a pierdut o parte din electronii, atomii și moleculele dobândesc o sarcină pozitivă care trece în ioni. Aceasta este, plasma - un gaz format din particule încărcate pozitiv și negativ în asemenea proporții încât taxa lor netă este zero. Această stare a sistemului se numește kvazinetralnym.
Numele de „plasma“, a fost propusă în 1923. fizicienii americani Lengmyullerom și Tonks. Pe langa plasma de gaz se poate face referire la orice sistem care cuprinde cel puțin 1% ≈ molecule ionizate.
În condiții terestre, starea plasmatică a materiei este destul de rare și neobișnuite. Dar, în universul material în vrac este ionizat. In stele ionizarea cauzate de temperatură ridicată și un nebuloase evacuat interstelari gaz - stele radiații ultraviolete. Această plasmă (fuziune) există în regiunea de înaltă temperatură de ordinul a 10 3 -10 6 K
oamenii de știință de plasmă termonucleare se confruntă în studiul reacțiilor termonucleare. Sistemul solar este soarele de plasmă. Acesta este subiectul astrofizicienii studii, geofizicieni, fizicienii - nucleare. Împreună cu plasma de temperatură ridicată, există o plasmă la temperatură scăzută, având o temperatură de aproximativ 10 3 -10 5 K, reprezentând gazul parțial ionizat. În această plasmă, energia medie a electronilor nu este mai mare de 10 eV. Acest tip de plasmă utilizate în metalurgie, inginerie chimica
Numita plasma de temperatură joasă, la care energia medie a electronilor decât potențialul caracteristic de ionizare (<10 эВ); температура её обычно не превышает 105 К. Плазма с более высокой температурой, называется горячей или высокотемпературной. Обычно Низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной плазме в большой степени определяет её свойства, в том числе электрические и электромагнитные. Много видов низкотемпературной плазмы существует в природе (рис. 1), создают низкотемпературную плазму и в различных специальных лабораторных системах (рис. 2). Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.
Figura 1. plasma de temperatură joasă în natură
Figura 2. Parametrii plasmei de temperatură scăzută de laborator
plasma de temperatură joasă staționar are o durată de viață lungă în comparație cu timpul de relaxare în ea. Tranzitorie (impuls) cu plasmă la temperatură scăzută trăiește timp limitat, definit ca fiind timpul necesar pentru stabilirea echilibrului în plasmă și mediul extern. Cu plasmă, timp în care viața este mai mare decât timpul de caracteristică a regimurilor tranzitorii, numite cvasi-staționare. De exemplu, canalul de plasmă este format în fermoar și sprijinit de trecerea curentului electric prin el. Timpul caracteristic pentru stabilirea echilibrului în canal conducător
10 -5 s, i un timp caracteristic de expansiune (t. E. fracturare) ale canalului de efectuare
10 -3 s, astfel încât în timpul trecerii curentului prin partea principală a plasmei în canalul conduce aceasta poate fi considerată cvasi-staționar.
Equilibrium și plasmă la temperatură scăzută de non-echilibru. cu plasmă la temperatură joasă se numește echilibru dacă componentele sale sunt în echilibru termodinamic, adică. E. Temperatura electroni, ioni și particule neutre coincid. Plasma cu temperatură scăzută, este ușor de generat condiții de neechilibru, ca urmare a acțiunii selective a câmpurilor electrice externe: energie electrică de la acestea sunt transferate la particulele încărcate, și-au dat la particulele de gaz în coliziuni. Într-o astfel de administrare a energiei metodă energia medie a particulelor încărcate pot fi semnificativ diferite de energia termică a particulelor neutre. Acest lucru se aplică în primul rând pentru electroni, care, din cauza energiei mici de schimb ineficientă în masă prin ciocniri elastice cu particule de gaze neutre. În acest caz, nu numai că energia medie a electronilor, dar, de asemenea, formează distribuția de energie de electroni poate să difere substanțial de echilibru.
Temperatura gazului - T: Te - temperatura electronilor
Figura 3. Parametrii de echilibru și plasmă la temperatură scăzută neechilibru
în mod tipic o plasma de echilibru este pus în aplicare într-un gaz la presiune ridicată, în care ciocnirile de particule apar frecvent și viteza echilibrării este relativ mare. Exemple de astfel de plasma este plasma arc descărcare la presiune atmosferică, evacuarea scânteie plasmă sau fulgere în atmosferă.
Un exemplu tipic al unei plasme de non-echilibru este o descărcare luminiscentă sau descărcare în plasmă plazmadugovogo 400 K, în timp ce energia medie a mai multor electroni eV (Fig 3) „Presiune scăzută. de exemplu, în plasma de gaz cu laser heliu-neon la o presiune de
Temperatura gazului 10 torr în centrul tubului de evacuare. plasmă ideală și nedesavarsit. Plasma este considerat ideal dacă energia cinetică medie a particulelor încărcate (3/2) kT mai mare decât energia medie a interacțiunii sale cu particulele din jur. unde e - sarcina unui electron, T - temperatura, rD - Debye lungime de screening. Ideal plasma poate fi definit ca o plasmă, în care numărul de particule încărcate în raza Debye este mare. Ambele definiții conduc la aceeași relație pentru o plasma parametri ideali:
Numeric C Coeficientul pentru a doua condiție. Această diferență face ca granița dintre o adresă IP ideală, dacă utilizați prima condiție și 1/96 PB acest raport este egal cu 9/32 din plasma nedesavarsit este foarte neclară, iar acest lucru înseamnă că, în regiunea intermediară parametrilor plasmei cuplate pot afecta în mod semnificativ unele dintre proprietățile sale și nu afectează altele.
plasma nedesavarsit cu interacțiunea Coulomb pură între particule (complet ionizat) nu există în realitate. Într-un astfel de plasmă la o viteză mare se produce recombinarea ioni și electroni cu timpi caracteristice atomice mult mai mici. În astfel de perioade, densitatea particulelor încărcate scade semnificativ, iar temperatura lor creste iar plasma încetează să mai fie non-ideal. plasmă nedesavarsit există într-un sistem multicomponent în cazul în care există stabilizare suplimentară a condițiilor de plasmă. Un exemplu tipic este cuplat puternic cu plasmă metalică cu plasmă care persistă datorită forțelor de interacțiune neideale cu ioni metalici ai zăbrele. Astfel, atunci când există o densitate imperfectă a particulelor de plasmă comparabilă cu densitatea materiei condensate. de gaz ionizat este întotdeauna slab o plasmă ideală. plasma nedesavarsit poate fi de asemenea împărțite în tipuri în funcție de metodele de producție sau de utilizare a acestuia: descărcare, fascicul, photoresonance, laser, ionosferei, solar, plasma cosmică.
In plasma încărcată pierderile de particule cu temperaturi scăzute asociate cu recombinarea electroni și ioni și tratarea particulelor încărcate pe peretele vasului, sau în exteriorul volumului ocupat. Pentru a menține existența unor procese de ionizare cu plasmă necesare care să creeze noi particule încărcate. Cea mai veche și mai simplu mod de a crea o plasma de temperatură joasă - descărcare. Plasma este creat ca rezultat un flux de gaz a curentului electric între electrozi la care diferența de potențial aplicată este întotdeauna menținută. gaz cu descărcare conține o serie de domenii care diferă în proprietățile lor, și, prin urmare, există mai multe tipuri de Scurgerile de gaz. Pentru descărcare gazului de plasmă se caracterizează prin stare cvasi-stabilă, adică. E. Timpul existenței sale, mult mai mare decât durata de viață tipică a unei particule încărcate separat dedicate. Metoda de descărcare pentru generarea de creare de plasmă la temperatură scăzută cum ar fi gaz de plasmă, cu defalcare electrică, care se realizează sub influența diferenței de potențial aplicată electrozilor. În acest caz, o plasmă în impulsuri care se descompune electrozi odată epuizate. gaz Breakdown are mai multe etape, în urma căruia un canal conducător - Deversarea scânteie. Un fenomen similar are loc în atmosferă de suprafață: zip - descompunerea gazului între nori sau între un nor și sol în timpul furtunilor.
defalcare de gaz poate să apară datorită intensității ridicate a undelor electromagnetice atunci când trece o radiație laser focalizat printr-un gaz - (. a se vedea optic de nivel) defalcare cu laser. gazul de plasmă joasă temperatură format în timpul descompunerea, dezintegrează prin recombinare și difuzia particulelor încărcate. O astfel de plasmă este numită plasma în descompunere sau în plasma afterglow și utilizată pentru măsurarea vitezei de recombinare și coeficientul de difuzie al particulelor încărcate.
Sub acțiunea radiațiilor rezonanță produsă photoresonance așa-numita plasmă. fotoni de energie de rezonanta coincide cu energia de excitare a atomilor sau moleculelor de gaz. Formată prin absorbția atomilor sau moleculelor excitate de fotoni rezonant sunt ionizate coliziuni când suplimentare. Ca sursă de radiație de rezonanță este o lampă cu descărcare care conține gaz activ, sau un laser acordabil. Această metodă de generare a plasmei permite ajustarea ușoară a parametrilor săi, cu toate acestea plasma photoresonance este utilizat pentru a crea plasma neliniare elemente optice pentru transformarea și stabilizarea frecvența radiației laser pentru a crea o sursă de ioni de diferite tipuri, surse acustice, și așa mai departe. Plasma D. Photoresonance diferit de plasma de evacuare a gazelor în ei parametrii. Plasma de descărcare este introdus prin electroni de energie, iar de acolo se trece la o plasmă într-o energie photoresonance cu plasmă încorporat inițial în excitarea atomilor. Prin urmare, energia medie a electronilor din photoresonance plasmatică semnificativ mai mică decât în evacuarea gazului.
Când se trece fasciculul de electroni prin gazul de plasmă fasciculului are loc. De obicei, fascicule de electroni sunt utilizate pentru a crea cu energia de câteva sute de keV. Astfel de electroni trec liber prin folie subțire și, astfel, poate fi transportată de tun de electroni într-o instalație de laborator cu gaz la presiuni mai mari. Procesul de bază de electroni rapizi interactioneaza cu atomii sau moleculele de gaz - ionizare a atomilor sau ionilor. Formată în timp ce electronii secundari au o energie de mai multe ori potențialul de ionizare al atomilor sau moleculelor. Astfel, atunci când trece fasciculul de electroni prin energia gazului de electroni rapizi este transformat in energia electronilor secundari (care în continuare este utilizat), cu un raport ridicat de transformare. Prin urmare, eficiența dispozitivelor excitate de un fascicul de electroni, este suficient de mare. De exemplu, eficienta moleculare, chimice și lasere excimer excitate de un fascicul de electroni,> 10%. Cu toate acestea, principalul avantaj al excitației cu plasmă a unui fascicul de electroni - o sursă rapidă de energie. Caracteristice ori de excitație în plasmă de către un fascicul de electroni
10-9. Datorită este folosit acest fascicul de electroni nu numai pentru a crea un puls de plasmă la temperatură scăzută, dar, de asemenea, pentru preionization. La dispozitivele de mare putere cu fascicul de electroni de laborator creează o plasmă primară uniformă, care se dezvoltă în continuare sub influența unei descărcări impuls electric.
În 1980-e. dezvoltarea pe scară largă a plasmei cu laser dobândite. Laserul este utilizat pentru diverse operații de prelucrare - .. tratarea suprafeței, sudura, taiere metal, etc. Interacțiunea radiației laser cu suprafața formată de plasma laser, care interacționează cu lumina laser, poate absorbi, împiedicând pătrunderea radiației laser la suprafața de tratare. plasmă cu laser - obiect fizic specific care necesită cercetări în ceea ce privește procesele specifice.
Există multe alte moduri de generare de plasmă la temperatură scăzută. Plasma poate fi obținută sub influența radiațiilor greu, gaze (ionosfera Pământului și a altor planete) ionizantă fasciculului de ioni care trece printr-un gaz sau neutroni. Sursele radioactive pot fi utilizate ca generator de plasmă la temperatură scăzută.
2. Care sunt modalitățile de a crea o plasmă la temperatură scăzută?
3. plasmelor non-echilibru.
4. plasmele de echilibru.