I. Plasma là nguồn sáng
2.Đèn hơi thủy ngân
Đèn hơi thủy ngân là kiểu đèn HID (High Intensity Discharge) cổ nhất. Mặc dù có tuổi thọ cao và chi phí ban đầu thấp, đèn có hiệu suất kém (30 đến 65 lumen trên watt, chưa kể hao hụt Ballast (chấn lưu)) và phát ra ánh sáng màu xanh yếu. Có lẽ vấn đề quan trọng nhất liên quan đến đèn hơi thủy ngân là làm sao thay thế chúng bằng những loại đèn HID hoặc huỳnh quang có hiệu suất và độ hoàn màu tốt hơn. Đèn hơi thủy ngân loại rõ, phát ra ánh sáng màu xanh da trời-xanh lá cây, gồm có ống hồ quang với các điện cực Vonfram ở cả hai đầu. Những chiếc đèn này có hiệu suất thấp nhất trong họ đèn HID, quang thông giảm nhanh và chỉ số hoàn màu thấp. Do những đặc điểm này nên các nguồn sáng HID khác đã thay thế đèn hơi thủy ngân trong chiếu sáng ngoài trời.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 58 Plasma và ứng dụng của plasma
Hình 31. Đèn hơi thủy ngân và sơ đồ năng lượng
Đặc điểm
Hiệu suất: 50 – 60 lumen/Watt (trừ phần L)
Chỉ số hoàn màu: 3
Nhiệt độ màu: Trung gian
Tuổi thọ của đèn: 16.000 – 24.000 giờ, duy trì quang thông kém Một số nước đã sử dụng đèn hơi Thuỷ ngân cho chiếu sáng đường phố mà loại đèn dây tóc phát ra ánh sáng màu vàng được xem là không phù hợp.
Ống hồ quang chứa 100mg thủy ngân và khí argon.Vỏ bằng thạch anh không có catốt nung trước, điện cực thứ ba với khe hở ngắn hơn để bắt mồi phóng điện.
Bóng đèn bọc photpho bên ngoài. Nó cung cấp ánh sáng đỏ bổ sung để khắc phục xu hướng phát ra ánh sáng màu xanh da trời xanh lá cây.
Vỏ thủy tinh bên ngoài ngăn bức xạ cực tia cực tím. 3. Đèn hơi Natri
3.1 Đèn hơi Natri cao áp
Đèn hơi Natri cao áp HPS (High Pressure Sodium) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng ngoài trời và chiếu sáng công nghiệp. Hiệu suất cao là đặc điểm ưu việt hơn của loại đèn này so với đèn halogen kim loại vì những ứng dụng này không đòi hỏi độ hoàn màu cao. Khác với đèn thủy ngân
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 59 Plasma và ứng dụng của plasma và đèn halogen kim loại, đèn HPS không có các điện cực khởi động, Ballast (chấn lưu) bao gồm Starter điện tử cao áp. Ống hồ quang được làm bằng gốm, có thể chịu được nhiệt độ lên đến 2372 oF. Ống được nạp khí xenon giúp tạo hồ quang cũng như hỗn hợp khí thủy ngân và natri.
Hình 33. Sơ đồ năng lượng đèn Natri cao áp Hình 32. Đèn hơi Natri cao áp
Hình 9.
Hình
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 60 Plasma và ứng dụng của plasma Đặc điểm
Hiệu suất: 50 – 90 lumen/Watt (chỉ số hoàn màu tốt hơn, hiệu suất thấp hơn) .Chỉ số hoàn màu: 1 – 2
Nhiệt độ màu: Ấm
Tuổi thọ của đèn: 24.000 giờ, duy trì quang thông đặc biệt tốt. Làm nóng: 10 phút, làm nóng trở lại: trong vòng 60 giây . Sử dụng đèn sodium với áp suất và nhiệt độ cao hơn sẽ làm đèn phản ứng cao hơn.
Bao gồm: 1-6 mg Natri và 20mg Thủy ngân .
Khí nạp là Xenon.Tăng lượng khí sẽ cho phép giảm lượng thủy ngân, nhưng sẽ khó khởi động đèn hơn.
Ống hồ quang được đặt trong một bóng đèn có lớp khuyếch tán để giảm chói.
Áp suất càng cao, dải bước sóng càng rộng và chỉ số hoàn màu càng tốt, hiệu suất càng thấp.
3.2 Đèn hơi Natri hạ áp:
Mặc dù đèn hơi Natri hạ áp LPS (Low Pressure Sodium) tương tự như hệ thống huỳnh quang (vì chúng đều là hệ thống hạ áp), nhưng loại đèn này thường được xếp vào họ đèn HID. Đèn LPS là nguồn sáng thành công nhất, nhưng chất lượng lại kém nhất trong tất cả các loại đèn. Là nguồn ánh sáng đơn sắc, tất cả các màu mà LPS thể hiện là đen, trắng, hoặc bóng màu xám. Đèn LPS có thể sử dụng trong mức điện áp từ 18-180. Đèn LPS thường được hạn chế sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời như chiếu sáng an ninh hoặc chiếu sáng đường phố và chiếu sáng trong nhà không cần chất lượng màu tốt (như cầu thang). Tuy nhiên, vì độ hoàn màu kém nên nhiều đô thị không cho phép sử dụng chúng cho chiếu sáng đường phố.
Đặc điểm
Hiệu suất: 100 – 200 lumen/Watt
Chỉ số hoàn màu: 3
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 61 Plasma và ứng dụng của plasma (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tuổi thọ của đèn: 16,000 giờ
Khởi động: 10 phút, làm nóng trở lại: lên đến 3 phút 4. Đèn phát quang
Chúng ta biết rằng có nhiều chất dưới tác dụng của bức xạ tia tử ngoại sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy. Đó là hiện tượng quang phát quang. Ánh sáng phát quang phụ thuộc vào việc chọn chất phát quang. Do đó, nếu chọn một hỗn hợp thích hợp, ánh sáng phát ra sẽ gần với ánh sáng trắng ban ngày. Chất phát quang này được phủ (từ bên trong) lên thành ống. Ánh sáng tử ngoại do plasma trong đèn ống phát ra khi đập vào lớp phát quang sẽ phát ra ánh sáng trắng. Đèn phát quang có hiệu quả kinh tế cao hơn đèn thông thường vì nó cho nhiều ánh sáng hơn. Do đó, thay đèn khí bằng đèn phát quang là một trong những nhiệm vụ của kỹ thuật hiện nay.
5. Phương pháp dùng Plasma áp suất cao
Dưới áp suất cao, plasma có khả năng phát ra phổ liên tục gần như ánh sáng Mặt trời. Dựa vào tính chất đặc biệt này của plasma mà người ta tạo ra nguồn ánh sáng trắng. Điển hình là đèn khí Xenon dưới áp suất rất cao có ánh sáng gần như hoàn toàn đồng nhất với ánh sáng Mặt trời. Nhưng loại đèn này rất đắt tiền và tuổi thọ của nó lại rất ngắn. Do đó, phạm vi ứng dụng loại đèn này rất hạn chế.
6. Laser(hay Lade)
Nếu chiếu một nguồn sáng có bước sóng mà nguyên tử bị kích thích thì nó có khả năng phát xạ. Nguyên tử bị kích thích sẽ phát ra ánh sáng có cùng hướng, cùng bước sóng và cùng pha với ánh sáng chiếu vào. Nói cách khác, nguồn sáng bên ngoài làm cho nguyên tử bị kích thích và nguyên tử sẽ hoạt động cùng tần số với ánh sáng kích thích. Hiện tượng này gọi là phát xạ cưỡng bức. Quá trình kích thích nguyên tử như vậy có tính dây chuyền. Khi đó, lượng tử ánh sáng khi đập vào môi trường chứa các nguyên tử bị kích thích sẽ tạo ra hàng loạt các lượng tử khác. Những lượng tử mới xuất hiện này lại làm sinh ra những lượng tử mới khác và như vậy sẽ có rất nhiều lượng tử chuyển động theo cùng một hướng. Kết quả là ta đã tạo được bức xạ có bước sóng và pha giống nhau, nghĩa là thu được ánh sáng
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 62 Plasma và ứng dụng của plasma kết hợp. Dụng cụ phát ánh sáng kết hợp có cường độ cao dựa trên nguyên lý đã trình bày gọi là laser. Môi trường các nguyên tử bị kích thích có thể là kim loại hoặc khí. Người ta kích thích nguyên tử bằng cách chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào môi trường (ánh sáng có bước sóng dễ bị môi trường hấp thụ nhất). Thí dụ, rubi phát ánh sáng đỏ nhưng hấp thụ mạnh các tia màu xanh. Do đó, người ta dùng ánh sáng màu xanh để kích thích. Nếu môi trường là chất khí thì người ta có thể có kích thích khí làm cho khí trở thành plasma không đẳng nhiệt. Do đó người ta còn gọi laser khí là laser plasma.
Muốn laser hoạt động, ta cần phải có dòng lượng tử gây bức xạ cưỡng bức cũng phải là chùm sáng kết hợp cao độ. Chúng ta có thể tạo ra chùm sáng như vậy nhờ hai gương đặt đối diện nhau như hình 34 :
Giữa hai gương là môi trường gồm các nguyên tử bị kích thích : Quá trình kích thích các nguyên tử diễn ra tuần tự như sau. Đầu tiên, một nguyên tử a nào đó bị kích thích thì nó tự động phát ra lượng tử ánh sáng. Khi chuyển động trong môi trường như thế, lượng tử ấy gây nên bức xạ của các nguyên tử kích thích khác.
Gư
ơng a Gương
b e
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 63 Plasma và ứng dụng của plasma Đồng thời các lượng tử mới chuyển động cùng hướng với lượng tử ban đầu và tiếp tục gây ra các lần bức xạ cưỡng bức tiếp theo. Các lượng tử này lại gặp gương và phản xạ. Do đó, nó tiếp tục đi ngang qua môi trường làm việc theo hướng ngược lại và cứ thế tiếp tục kích thích các nguyên tử của môi trường. Sau khi phản xạ từ gương thứ hai, các lượng tử sẽ đi ngược lại và do đó sự phản xạ được lặp lại nhiều lần. Nếu chùm lượng tử ban đầu không đập vuông góc với gương thì chùm lượng tử sinh ra sớm muộn cũng đến mép của gương và rời khỏi môi trường làm việc. Do đó, laser plasma chỉ làm việc tốt nếu hai gương đặt song song nhau chính xác đến vài giây của giá trị góc. Vì vậy, để thu được ánh sáng phát ra từ laser thì một trong hai gương phải có khả năng cho một phần ánh sáng xuyên qua.
Laser plasma có ưu thế lớn hơn laser rắn ở chỗ nó phát ra ánh sáng một cách liên tục, tập trung và cũng kết hợp hơn. Bước sóng do laser plasma phát ra khác với tiêu chuẩn không quá 10-9 %, trong khi đó độ rộng tự nhiên của vạch quang phổ thông thường của chất khí phát ra là 10-3 %. Nhưng ngược lại, công suất của nó lại không lớn, chỉ vài phần trăm hay vài phần nghìn watt mà thôi.
II. Những nhà máy điện không cần Tua – bin
Trong thời đại ngày nay, điện năng là một nhu cầu thiết yếu trong đời sống sinh hoạt hằng ngày. Tuy nhiên, hiệu suất của các nhà máy điện vẫn còn thấp, chưa đáp ứng được tất cả các nhu cầu hằng ngày.
Hình 35. Sơ đồ đơn giản máy phát điện từ thuỷ động lực Rt V I I - + B j
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 64 Plasma và ứng dụng của plasma Sơ đồ của nhà máy điện có thể được phát xạ như sau : các nhiên liệu như than, than bùn và dầu hoả được đốt cháy trong buồng đốt của nồi súp – de, nước trong nồi súp – de sôi lên và bốc hơi. Hơi nước với áp suất cao được tạo ra làm quay roto của tua – bin được ghép với máy phát điện. Nên một hiệu điện thế sẽ được sinh ra ở các đầu dây của máy phát điện. Hơi nước được chuyển sang bình ngưng tụ thành nước và được bơm đưa về nồi súp – de một lần nữa. Nhà máy điện nguyên tử cũng làm theo sơ đồ này, nhưng nhiệt dùng để đun nóng nồi súp – de được lấy từ các phản ứng phân chia hạt nhân. Nhưng nhược điểm cơ bản của nhà máy này là hiệu suất rất thấp. Muốn nâng cao hiệu suất, ta phải nâng cao nhiệt độ. Nhưng khi nhiệt độ cao thì độ bền của roto quay tua – bin bị giảm xuống. Do đó, thực tế người ta không thể tăng hiệu suất của nhà máy lên 40%. Đến đây, người ta lại chú ý máy phát từ thuỷ động. Không cần dùng đến tua – bin để quay roto của máy phát điện.
Nếu phóng một dòng plasma với vận tốc v qua một từ trường mạnh B thì sẽ sinh ra một dòng điện I chạy qua plasma và tải bên ngoài R. Dòng điện này xuất hiện trong plasma tương tự như hiện tượng cảm ứng điện từ, khi có một dòng plasma chuyển động ngang qua các đường cảm ứng từ thì giữa hai bản kim loại sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Hoạt động của máy phát điện plasma dựa vào nguyên tắc trên. Nhưng độ dẫn điện của plasma nhỏ hơn nhiều độ dẫn điện kim loại. Vì vậy muốn có dòng điện lớn cần phải cho plasma chuyển động với vận tốc rất lớn trong từ trường. Trong máy phát điện plasma, plasma được tạo ra trong buồng đốt. Khi bị kích thích từ miệng vòi phun của buồng này phóng ra luồng plasma với vận tốc lớn đi ngang qua từ trường. Khi đó, trên hai điện cực xuất hiện một hiệu điện thế và gây ra một dòng điện chạy trong mạch. Các quá trình xảy ra trong máy phát điện plasma được mô tả bằng lý thuyết từ thuỷ động lực.
Để tăng hiệu suất của máy phát điện plasma cần tăng khả năng dẫn điện của plasma bằng cách tăng nhiệt độ dẫn đến tăng mức độ ion hoá. Nhưng nhiệt độ rất cao trong máy phát điện plasma thì các thành buồng và các điện cực sẽ bị nóng
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 65 Plasma và ứng dụng của plasma chảy. Mặt khác, ở nhiệt độ 1200 – 1500 thì tính dẫn điện của plasma trở nên rất nhỏ.
Để tiết kiệm năng lượng người ta kết hợp máy phát điện từ thuỷ động và nhà máy nhiệt điện. Plasma sau khi đi qua kênh làm việc của máy phát điện từ thuỷ động lực, vẫn còn có một nhiệt độ (1200 – 1500). Nhiệt lượng này có thể được sử dụng vào việc đun nóng nồi súp – de, hơi nước được sản sinh ra làm quay roto của tua – bin, mà tua – bin được gắn với roto của máy phát điện.
III. Động cơ Plasma
Nguyên tắc hoạt động của động cơ phản lực plasma cũng giống như nguyên tắc hoạt động của động cơ dùng nhiên liệu hoá học. Điều khác biệt chủ yếu ở đây là năng lượng cần thiết để đốt khí của động cơ phản lực plasma thu được từ hồ quang điện.
Khí ion hoá được tạo ra nhờ điện trường được đưa vào buồng phóng điện (biểu diễn ở hình 36). Khi bay qua lỗ tròn trên catot, khí bị ion hoá (plasma) bay tới miền mà điện trường và từ trường vuông góc với nhau. Miền này có tác dụng như một máy bơm plasma dùng để phun plasma ra với tốc độ lớn. Do đó, nó tạo ra
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 66 Plasma và ứng dụng của plasma một phản lực lớn tác dụng lên động cơ, làm cho động cơ tiến về phía trước. Sơ đồ mà ta vừa xét thực chất là sơ đồ đơn giản của plasmatron.
Phần sau đây sẽ giải thích tại sao động cơ plasma có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ thông thường khác. Ta biết rằng, động lượng của tên lửa được xác định bằng tích của khối lượng chất phóng ra và vận tốc của dòng plasma. Nghĩa là, nhiều nhiên liệu phóng ra nhưng với vận tốc không lớn, hay ít nhiên liệu phóng ra mà vận tốc lớn thì động lượng vẫn như nhau. Các phép tính của các nhà kỹ thuật chứng tỏ trong động cơ phản lực thông thường dùng nhiên liệu hoá học tốc độ của luồng khí phụt ra là 105 cm/s, còn động cơ phản lực plasma tốc độ phóng hạt là 107 cm/s. Như vậy, tốc độ phóng hạt của động cơ plasma lớn hơn gấp 100 lần tốc độ luồng khí của động cơ dùng nhiên liệu hoá học. Do đó, trong các chuyến bay dài ngày đến các khoảng cách xa trong vũ trụ, các động cơ phản lực plasma tỏ ra thích hợp hơn các động cơ tên lửa dùng nhiên liệu hoá học (bởi vì chúng tiêu thụ nhiên liệu ít hơn mà cho phép đạt được tốc độ lớn hơn). Tuy nhiên, cũng cần thiết rằng khi ấy sự tiêu phí năng lượng tăng lên rất nhiều. Đây là vấn đề mà các nhà khoa học quan tâm tìm kiếm nguồn năng lượng lớn để cung cấp cho các chuyến bay vũ trụ. Hiện nay, đã có một số nhà bác học đề nghị dùng năng lượng hạt nhân làm nguồn năng lượng cho các động cơ plasma.
IV.Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ta biết là năng lượng của các nguyên tử nặng như Uranium, plutoni, … Năng lượng của chúng có thể giải phóng trong quả trình phân hạch (nghĩa là chia thành các hạt nhân nhỏ hơn khi bị neutron chậm bắn phá vào). Ngược lại, hạt nhân của các nguyên tử nhẹ chỉ có thể giải phóng năng lượng trong các phản ứng tổng hợp (nghĩa là trong quá trình hai hạt nhân va chạm trên khoảng cách rất gần để kết hợp thành hạt nhân nặng). Sự giải phóng năng lượng này ở các dạng khác nhau tuỳ