2.2 Tổng quan về Plasma phi nhiệt
2.2.3 Một số đặc tính cơ bản của Plasma
2.2.3.1 Tính giả định trung tính
Là đặc tính của plasma, điện tích âm của các điện tử cân bằng với điện tích dƣơng của các ion dƣơng. Nếu có tác động từ ngồi, plasma sẽ có xu hƣớng bảo tồn tính trung tính giả định, chẳng hạn do một tác động nào đó làm tăng mật độ điện tử tại một vùng trong plasma, tức là sẽ có những vùng khác khơng đủ điện tử và khi đó plasma sẽ xuất hiện điện trƣờng mạnh cản trở việc phân ly điện tích và bảo tồn tính trung tính giả định. Giả sử trong lớp plasma dày x tạo điện tích với mật độ q, theo định luật tĩnh
28
điện trên khoảng cách x sẽ tạo nên điện trƣờng E = 4qx. Điện trƣờng này mạnh nên hầu nhƣ trong điều kiện bình thƣờng sự phân tách điện tích là rất nhỏ.
2.2.3.2 Khối cầu Debye
Xét một hạt bất kì: Sẽ có một lớp điện tích hình cầu sinh ra xung quanh hạt, độ dày của lớp này phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của hạt. Độ dày của lớp tiếp xúc phải giúp nó chứa đủ số hạt khác dấu, có khả năng làm màn chắn trƣờng cho hạt. Khối cầu sinh ra đƣợc gọi là khối cầu Debye và bán kính của khối cầu đó đƣợc gọi là bán kính Debye. Đƣợc xác định bằng công thức:
√
Ở đây T là nhiệt độ tuyệt đối, còn n là mật độ electron. Nhƣ vậy, điện trƣờng của hạt mang điện trong plasma chỉ có trong hình cầu bán kinh RD. Ngoài khối cầu
Debye điện trƣờng không tồn tại. Nhƣ thế, các hạt trong plasma chỉ tác dụng với nhau khi chúng ở cách nhau một khoảng nhỏ hơn bán kính Debye.
Hình 2.7 Minh họa khối cầu Debye và bán kính Debye 2.2.3.3 Tần số dao động plasma (ωe) 2.2.3.3 Tần số dao động plasma (ωe)
29
Dao động plasma là dao động mật độ điện tích. Chúng đƣợc phát sinh bởi tác động của điện trƣờng khi phá vỡ tính trung tính giả định lên điện tích, điện trƣờng này có xu hƣớng phục hồi cân bằng đã bị phá vỡ. Khi đã quay về vị trí cân bằng điện tích theo quán tính điện tích sẽ lại vƣợt qua vị trí cân bằng và khi đó lại xuất hiện điện trƣờng phục hồi. Nhƣ vậy xuất hiện dao động plasma. Thƣờng gọi là những dao động tĩnh điện hoặc dao động Lengomeare. Tần số dao động plasma điện tử đƣợc xác định theo công thức: √ Trong đó: n: Mật độ electron e: Điện tích electron m: Khối lƣợng electron
2.2.4 Khái quát về sự tƣơng tác của các hạt trong plasma 2.2.4.1 Sự va chạm đàn hồi, không đàn hồi và siêu đàn hồi. 2.2.4.1 Sự va chạm đàn hồi, không đàn hồi và siêu đàn hồi.
Để nghiên cứu về sự va chạm của các hạt trong plasma ta cần phải nắm rõ ba khái niệm sau đây:
- Tiết diện hiệu dụng: Khái niệm về tiết diện hiệu dụng trong va chạm là rất quan trọng. Nó đặc trƣng cho q trình va chạm trong chất khí.Để đơn giản vạch ra ý nghĩa hình học của tiết diện hiệu dụng. Sự va chạm giữa hai hạt khi gặp nhau sẽ xảy ra nếu khoảng cách giữa hai tâm nhỏ hơn hoặc bằng một khoảng cách cực tiểu nào đó. Khoảng cách cực tiểu này là bán kính hiệu dụng của sự va chạm. Nếu các hạt có dạng nhƣ quả cầu đàn hồi có bán kính là r1,r2, sự va chạm sẽ xảy ra khi các hạt cách nhau một khoảng nhỏ hơn r1+r2. Khi đó:
= (r1+r2)2 (2.3)
- Khoảng đƣờng tự do trung bình: Khoảng đƣờng tự do trung bình của hạt đƣợc xác định nhƣ tổng số khoảng cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó.Tiết
diện hiệu dụng càng lớn thì sự va chạm xảy ra càng nhiều, sự va chạm của các hạt xảy ra càng nhiều thì khoảng đƣờng tự do trung bình càng nhỏ, nhƣ vậy khoảng đƣờng tự do trung bình phải phụ thuộc vào tiết diện hiệu dụng và mật độ của các hạt:
- Tần số va chạm: Tần số va chạm là số va chạm trong một đơn vị thời gian. Nếu hạt chuyển động với vận tốc v, thì tần số va chạm sẽ bằng:
Va chạm đàn hồi:
Khơng có sự mất mát năng lƣợng động năng của cặp hạt, mặc dù có thể có một sự trao đổi năng lƣợng giữa các hạt. Đây là va chạm duy nhất diễn ra giữa các electron và các nguyên tử của các phân tử khí đơn nguyên tử khi năng lƣợng của các electron không tăng đến giá trị ngƣỡng cần thiết cho việc tạo ra sự thay đổi trong trạng thái điện tử hoặc sự ion hoá cảu các nguyên tử. Trong các va chạm với các phân tử hai nguyên tử hoặc nhiều nguyên tử, va chạm đàn hồi thƣờng đi cùng với với các va chạm không đàn hồi và siêu đàn hồi.
Va chạm không đàn hồi:
Một phần của năng lƣợng động năng ban đầu đƣợc chuyển thành năng lƣợng bên trong của một hoặc nhiều các hạt (ví dụ trạng thái kích thích hoặc các ion đƣợc hình thành).
Va chạm siêu đàn hồi:
Các va chạm này có thể xảy ra khi một electron va chạm với một nguyên tử hoặc phân tử trong một trạng thái năng lƣợng kích thích . Phân tử thay đổi đến một trạng thái có mức năng lƣợng bên trong nhỏ hơn và giải phóng năng lƣợng đƣợc coi nhƣ làmột sự
gia tăng năng lƣợng động lực học cho electron. Các va chạm này là đảo ngƣợc của va chạm không đàn hồi.
Phân tích chi tiết của các dạng va chạm hai thành phần nhƣ trên, chúng ta có thể tổng kết một số điểm chú ý nhƣ sau:
- Các hạt chuyển động (m) không thể mất nhiều năng lƣợng đàn hồi cho các hạt nặng hơn (M). Tuy nhiên, có sự thay đổi đáng kể trong động năng đã xuất hiện.
- Một hạt chuyển động theo dạng va chạm đàn hồi có trạng thái ổn định bằng khối lƣợng đầu vào có thể chuyển đổi tất cả các năng lƣợng động lực học của nó.
- Các hạt chuyển động có thể mất hầu nhƣ tất cả năng lƣợng động lực học của chúng thông qua các va chạm không đàn hồi với các đối tƣợng nặng hơn.
- Sự nhƣ nhau về khối lƣợng các hạt có thể làm mất khơng quá nửa năng lƣợng động lực học không đàn hồi về sự va chạm đó.
- Các va chạm hai thành phần trong đó có ít nhất một hạt bị tích điện có thể đƣợc tuân theo bởi lực Coulomb ở tầm xa.
Qua các giải thích nhƣ trên sự va chạm giữa các hạt có thể chia thành 2 nhóm lớn: Va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi. Vật lý học plasma giải thích bất kì sự tƣơng tác nào giữa các hạt là do “sự va chạm”. Va chạm đàn hồi là va chạm khơng làm thay đổi tính chất của hạt, là va chạm mà trong đó các hạt tƣơng tác chỉ lệch đi một góc nhỏ, đóng một vai trị đặc biệt. Sự va chạm giữa các hạt plasma, làm thay đổi tính chất của một hay nhiều hạt, đƣợc gọi là sự va chạm không đàn hồi. Nhờ sự va chạm không đàn hồi mà các q trình nhƣ: sự ion hóa, sự kích thích, sự phân li, sự hóa hợp…có thể xảy ra.
Sự chuyển điện tích của hạt: Là sự truyền điện tích từ ion chuyển động nhanh
cho các nguyên tử chuyển động chậm. Kết quả là ion có năng lƣợng cao có thể biến thành nguyên tử trung hịa, ion mới đƣợc hình thành trong plasma có năng lƣợng thấp. Q trình này đóng vai trị quan trọng trong plasma phản ứng nhiệt hạch(An+ + A(n- 1)+ + M+) Từ khảo sát chúng ta kết luận rằng cùng với sự tăng lên của vận tốc proton, lúc đầu tiết diện trao đổi điện tích đƣợc tăng nhanh khi vận tốc proton đạt đến một giá trị
32
nào đó thì tiết diện đạt giá trị cực đại, và bắt đầu giảm xuống rất nhanh. Vận tốc proton tại đó tiết diện hiệu dụng lớn nhất đƣợc gọi là vận tốc tối ƣu.
Sự kích thích và ion hóa: Cơ chế của sự kích thích và ion hóa do va chạm với
điện tử nhƣ sau: khi điện tử chuyển động gần đến nguyên tử hay hạt khác, điện tử thứ nhất tƣơng tác trực tiếp bằng điện trƣờng của mình với một trong những điện tử liên kết trong nguyên tử gần nó nhất. Điện tử liên kết đó sẽ dịch chuyển đối với hạt nhân. Nhƣ vậy, điện tử thứ nhất bị tán xạ, tức là bị lệch khỏi hƣớng ban đầu. Nếu lực tƣơng tác đủ lớn và đủ lâu thì điện tử liên kết có thể bị đƣa lên mức năng lƣợng cao hơn hay hoàn toàn bị tách khỏi ngun tử. Q trình ion hóa là tách electron ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử khí, đây là q trình quan trọng khơng thể thiếu trong plasma. Có hai kiểu ion hóa: với plasma đậm đặc, sự ion hóa chất khí sinh ra do tác dụng va chạm giữa các nguyên tử hoặc phân tử trung hịa với electron; với plasma q lỗng tác dụng bức xạ sóng cực ngắn là nguyên nhân gây ra sự ion hóa. Nhƣng muốn ion hóa hồn tồn các hạt thì bản thân chúng cần phải có năng lƣợng cao hơn đáng kể so với trƣờng hợp trên. Nhờ sự va chạm, electron có thể ion hóa ngun tử, phân tử trung hịa hoặc ngun tử bị ion hóa chƣa hồn tồn. Tiết diện hiêu dụng ion hóa bằng sự va chạm của electron vào khoảng vài trăm electron – volt.
Mặt khác, kích thích và ion hóa ngun tử, phân tử, và ion có thể xảy ra do điện tử, ion, nguyên tử, và phân tử. Tiết diện ion hóa và kích thích đối với chúng khơng giống nhau. Đối với điện tử có thể chuyển hết phần động năng của mình cho nguyên tử, đối với ion hay nguyên tử thì phần động năng chuyển vào thế năng do va chạm càng nhỏ khi khối lƣợng của chúng càng gần nhau. Trong plasma phóng điện khí, nhƣ trong phóng điện ẩn, kích thích và ion hóa do ion và ngun tử khơng đáng kể vì ở đây áp suất tƣơng đối thấp và không đẳng nhiệt lớn. Năng lƣợng của ion và nguyên tử trong phóng điện khơng cao, do đó ion hóa trong thể tích do va chạm với nhau chúng có thể bỏ qua. Trong hồ quang áp suất lớn (áp suất vào khoảng vài trăm Torr hay lớn hơn), nhiệt độ của hạt nặng lớn đến mức có thể xảy ra ion hóa và kích thích do nhiệt.
Sự kích thích và ion hóa phân tử: Trong phân tử có hai dạng chuyển động:
33
của hạt nhân có thể là chuyển động dao động và chuyển động quay. Tuy nhiên năng lƣợng phụ thuộc vào sự chuyển động của điện tử là thành phần lớn nhất. Nếu phân tử đƣợc kích thích, điện tử đƣợc chuyển lên mức năng lƣợng cao hơn, thì do sự phân bố điện tích của điện tử trong phân tử thay đổi mà đƣờng cong thế năng cũng biến đổi. Chuyển động dao động trong phân tử cũng tuân theo quy luật lƣợng tử. Khi dao động khoảng cách của hai hạt nhân biến đổi, dẫn đến thế năng sẽ biến đổi gián đoạn. Những phân tử có hai hạt nhân giống nhau nhƣ O2, H2, N2… có cấu trúc đơn giản nên chúng chỉ có chuyển động dao động đối xứng của nguyên tử dọc theo trục phân tử. Hơn nữa chúng khơng có momen đipơn. Dịch chuyển đipơn giữa các mức dao động kích thích trong trạng thái cơ bản điện tử với mức dao động là cấm, và chỉ mất đi do va chạm. Tuy nhiên tiết diện va chạm giữa các phân tử với nhau để biến năng lƣợng dao động lƣợng tử thành động năng thƣờng rất nhỏ (nhỏ hơn 10-23 cm2). Vì vậy những trạng thái này có thời gian sống rất lớn.
Sự tái hợp: Là quá trình kết hợp ion với electron để thành nguyên tử hoặc phân tử
trung hịa. Q trình này đƣợc coi là q trình ngƣợc với q trình ion hóa. Khi tái hợp nội năng tồn phần của hệ giảm. Vì vậy q trình có thể xảy ra với động năng của hạt tƣơng tác nhỏ bất kì, xác suất tái hợp lớn nhất khi chuyển động của các hạt là chậm nhất. Năng lƣơng thừa có thể giải phóng dƣới các dạng khác nhau: bức xạ điện từ, kích thích, chuyển sang hạt thứ ba, tăng động năng của các hạt trung hòa mới thành lập.Trong trƣờng hợp tái hợp ion nguyên tử, năng lƣợng thừa chính là năng lƣợng cần thiết để tách ion âm và ion dƣơng ra khỏi nguyên tử. Sự tái hợp đóng vai trị quan trọng trong mơi trƣờng plasma có 4 dạng tái hợp:
- Tái hợp kèm theo bức xạ: sự tái hợp trực tiếp của electron tự do với ion dƣơng, nhờ đó năng lƣợng dƣ thừa của electron đƣợc bức xạ dƣới dạng lƣợng tử, q trình này khơng đóng vai trị quan trọng trong plasma.
- Tái hợp với kích thích hai lần: sự tái hợp này xảy ra khi ion dƣơng tác động đồng thời vào 2 electron. Khi đó ion dƣơng trung hịa với 1 trong 2 electron, còn electron kia thu năng lƣợng ion hóa tỏa ra trong q trình đó để bay ra khỏi với vận tốc lớn hơn. Quá trình này xảy ra khi mật độ electron trong plasma khá cao.
34
- Tái hợp do va chạm ba hạt: nhờ hạt thứ ba mang năng lƣợng thừa nên quá trình tái hợp xảy ra khá hiệu dụng.
- Tái hợp phân ly: Khi va chạm với điện tử, ion dƣơng khơng chuyển mức có kèm bức xạ, mà bị rơi vào trạng thái không bền vững rồi bị phân ly, trong quá trình này hệ số tái hợp rất lớn.
2.2.4.2 Sự khuếch tán trong plasma
Plasma là hỗn hợp các chất khí tạo bởi các nguyên tử và phân tử trung hòa, các electron, các ion, và các hạt bị kích thích. Mỗi một chất khí đó đều có áp suất riêng, mật độ riêng của mình và trong trƣờng hợp plasma khơng đẳng nhiệt thì chúng có cả nhiệt độ riêng của mình. Nếu phá vỡ tính khơng đổi của một đặc tính nào đấy của chất khí tạo nên plasma, nhƣ tính khơng đổi của mật độ, thì trong plasma xuất hiện chuyển động khuếch tán.
Bảng 2.4 và bảng 2.5 sau đây liệt kê các hiện tƣợng xảy ra trong chất khí, ở đây các hạt bị ion hóa, một số phân tử khí bị phân chia và kết nối.
Bảng 2.4 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các electron
e–+ A → A + e– Tán xạ đàn hồi Các electron nhiệt e–+ A → A+ + e–+ e– Ion hóa Dẫn điện
e–+ A → A* + e– Kích thích
e– + A* → A + e– + hv Khử kích thích Phát ánh sáng e– + A* → A+ + e– + e– Ion hóa bƣớc 2 Hiệu suất ion hóa e– + AB → A + B + e– → A+ +
e– + B + e–
→ A– + B
Phân mảnh ion hóa Phân li
Kết hợp phân li
35
e– + A+ + B → A + B Tái hợp môi trƣờng
Suy giảm plasma và trạng thái ổn định
Bảng 2.5 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các ion và các hạt trung hòa
A+ + B → B+ + A “ cộng
hƣởng” Với A = B Trao đổi điện tích Phổ năng lƣợng ion A+ + B → B + A+ Tán xạ đàn hồi Phổ năng lƣợng ion A+ + B → A+ + B* + e– Sự kích thích Hiệu suất ion hóa A+ + B → A+ + B+ + e– Sự ion hóa Hiệu suất ion hóa A + B* → A+ + B + e– Sự ion hóa Penning Hiệu suất ion hóa
A+ + BC → A+ + B + C–
Sự phân mảnh/ Sự
phân li Phân tích khí cịn dƣ e– + A+ + B → A + B Tái hợp môi trƣờng Suy giảm plasma
A± + B → AB± Có chút kim loại Các phổ khối lƣợng ion A + B → AB Có chút kim loại Phân tích khí cịn dƣ
36
Trong đó: e là electron; A, B là nguyên tử; A+ , B+, C– là ion một điện tích; A*, B* là nguyên tử kích thích; AB, BC là phân tử.
Để ứng dụng công nghệ Plasma phi nhiệt một cách hiệu quả trong xử lý khí thải, ta cần tạo một bộ điều khiển để thiệt bị tạo Plasma hoạt động phù hợp với trạng thái hoạt