CHƯƠNG 3 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.3. Va chạm không đàn hồi:
3.3.1. Va chạm không đàn hồi loại 1:
Là va chạm làm thay đổi tính chất của một hay nhiều hạt. Nhờ vào sự va chạm không đàn hồi mà các q trình như: sự ion hóa, sự kích thích, sự phân li, sự hóa hợp… có thể xảy ra.
Trong va chạm không đàn hồi loại 1 khi kích thích hoặc ion hóa thì một phần động năng của hạt sẽ chuyển vào thế năng của hạt kia.
) 5 ( 1 N ) 6 ( vN v
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
3.3.2. Va chạm không đàn hồi loại 2:
Khi va chạm thế năng của hạt kích thích chuyển qua hạt khác dưới dạng thế năng hay động năng, sau khi va chạm hạt kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản. Nếu hạt kích thích va chạm với điện tử sẽ cung cấp động năng cho điện tử. Nếu va chạm với nguyên tử hoặc ion thì chúng sẽ bị kích thích hoặc ion hóa.Va chạm khơng đàn hồi loại 2 làm sản sinh thêm hạt nhanh trong plasma.
Sự tái hợp:
Là quá trình kết hợp ion với electron để thành nguyên tử hoặc phân tử trung hịa. Q trình này được coi là q trình ngược 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 tương tác nhỏ bất kì, xác suất tái hợp lớn nhất khi chuyển động của các hạt là chậm nhất. Năng lương thừa có thể giải phóng dưới 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 trường hợp tái hợp ion nguyên tử, năng lượng thừa chính là năng lượng cần thiết để tách ion âm và ion dương ra khỏi nguyên tử
Sự tái hợp đóng vai trị quan trọng trong mơi trường plasma áp suất lớn có 4 dạng tái hợp
Tái hợp kèm theo bức xạ: Sự tái hợp trực tiếp của electron tự do với ion dương, nhờ đó năng lượng dư thừa của electron được bức xạ dưới dạng lượng 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 dương tác động đồng thời vào 2 electron. Khi đó ion dương trung hịa với 1 trong 2 electron, còn electron kia thu năng lượng 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
Tái hợp do va chạm ba hạt: nhờ hạt thứ ba mang năng lượng thừa nên quá trình tái hợp xảy ra khá hiệu dụng
Tái hợp phân ly: Khi va chạm với điện tử, ion dương khơng chuyển mức có kèm bức xạ,mà bị rơi vào trạng thái khơng bền vững rồi bị phân ly, trong quá trình này hệ số tái hợp rất lớn.
Plasma phóng điện khí:
Trong điều kiện bình thường, mọi chất khí thực tế khơng dẫn điện, chúng là chất cáchđiện. Nhưng ở nhiệt dộ cao, hay ở trong diện trường rất mạnh, thì tính chất của chất khí thay đổi căn bản nó bị ion hố và dẫn điện. Khi bị ion hoá, các nguyên
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
tử và các phân tử khí trung hồ về điện sẽ mất đi một phần electron và trở thành ion dương. Chất khí bị ion hố đó gọi là plasma.
Sự phóng điện trong chất khí sẽ tạo ra plasma khí. Trạng thái plasma khí được duy trì nhờ năng lượng toả ra từ dịng điện phóng qua plasma. Nếu bị loại bỏ điện trường ngồi
đi thì plasma khí biến mật rất nhanh, nó sẽ trở thành chất khí bình thường. Q trìnhnày được gọi là sự tái hợp của chất khí.
Sự phóng điện trong chất khí được phần thành hai nhóm lớn: Sự phóng điện phụ thuộcvà sự tự phóng điện.
3.4. Sự phóng điện phụ thuộc:
Định nghĩa:
Sự phóng điện phụ thuộc là sự phóng điện mà tính dẫn điện của chất khí được duy trì nhờ những yếu tố ion hố bên ngồi (buồng ion hoá). Các ion và electron tự do được tạo ra, dưới tác dụng của điện trường, sẽ chuyển động có hướng, và sinh ra dịng điện.
Các phương pháp để ion hóa chất khí:
Có 2 phương pháp để ion hóa chất khí bằng phương tiện bên ngồi đối với sự phóng điện phụ thuộc sự ion hóa do ảnh hưởng của nhiệt độ và do tác dụng của bức xạ.
Nhiệt ion hóa:
Theo quan điểm nhiệt động, có thể phân biệt plasma cân bằng và plasma khơng cân bằng. Trong hệ cơ lập, khí plasma ở trạng thái cân bằng với môi trường bao quanh (như trên các vì sao) thì động năng trung bình của tất cả các hạt là bằng nhau. Vì vậy plasma cân bằng là plasma đẳng nhiệt có thể tồn tại mà không cần lấy thêm nănglượng từ bên ngoài.Tuy nhiên, trong điều kiện phịng thí nghiệm, kích thước plasma rất bị giới hạn.Một cách chính xác, khơng bao giờ nhận được plasma cân bằng nhiệt.
Trong thực tế, ln ln có một số hạt đi đến tường và cực phóng điện. Những hạt này đã mang năng lượng ra khỏi thể tích plasma.
Với quan điểm nhiệt động thì điều đó có nghĩa là hệ không bị cô lập, mà đã tương tácvới môi trường bao quanh. Trong trường hợp này đưa đến sự bất đẳng nhiệt.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Như vậy, plasma phóng điện khí ln ln là plasma bấtđẳng nhiệt. Vì rằng các hạt đi ra khỏi thể tích đều mang theo năng lượng, nên cần bù vào số năng lượng đó, hay nói khác đi, plasma tự nó sẽ biến mất. Có thể duy trì plasma bất đẳng nhiệt bằng cách cung cấp năng lượng cho nó.
Sự phóng điện khí:
Thật vậy, phóng điện khí chỉ tồn tại khi có trường ngồi - trường dừng xung hay cao tần. Những điện tử và ion được gia tốc trong những trường đó và nhờ vậy, chúng có khả năng ion hố phân tử và nguyên tử trung hòa.
Plasma bất đẳng nhiệt khơng thể có trung hịa điện hồn tồn. Nhưng thường sự phá vỡ trung hịa điện đó khơng lớn. Vì vậy, ta gọi plasma bất đẳng nhiệt là plasma gần trung hòa và xem điều kiện gần đúng:
∑Zini – ne = 0
Điều kiện gần trung hòa là một trong những điều kiện cơ bản của plasma.Tính gần trung hòa được hiểu là gần trung hòa về điện trung bình trong một thể tích đủ lớn và sau một khoảng thời gian đủ lớn.
Nếu đốt nóng chất khí, thì các phân tử của nó thu được mơt năng lượng đủ lớn. Năng lượng này có thể gây ra sự ion hịa chất khí.
Nhiệt độ là đại lượng tỉ lệ với động năng trung bình của hạt. Nếu tăng nhiệt độ sẽ tăngxác suất kích thích và ion hóa do va chạm giữa các hạt nặng với nhau.
Quá trình này dễ dàng xảy ra trong khí có thế kích thích và có thế ion hố thấp, đặc biệt trong kim loại kiềm.
Ví dụ: Cs(Vi=3.88 volt), áp suất torr, T = 3.103 K, bậc ion hóa~50% Với nhiệt ion hố, ln có q trình nghịch xảy ra. Đó là q trình tái hợp. Vận tốc ion hóa :
ηj = k1n0ne2 Vận tốc tái hợp :
η2 = k2nine2 Quang ion hoá:
Sự tách nguyên tử và phân tử khí thành các electron và ion dưới tác dụng của bức xạ được gọi là quang ion hóa.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Không phải bức xạ nào cũng có khả năng gây ra sự ion hóa chất khí. Quang ion hóa chất khí có thể xảy ra nếu lượng tử ánh sáng được hạt hấp thụ có năng lượng thỏa mãn biểu thức đối với điện tử:
Hv ≥ e.Vi (Vi: thế ion hoá) λ(A0) ≤ 1,234.104 / Vi(volt) Điện tử giải phóng có năng lượng :
E = mv2/2 = hv – eVi
λ > λb: quang ion hố khơng xảy ra một cách trực tiếp vì năng lượng bức xạ tương ứng quá nhỏ.
Khi chiếu bức xạ sóng ngắn (Rơnghen hay Gama) lên khí, do bức xạ có năng lượng lớn, nên quang ion hoá xảy ra với cường độ lớn.
3.5. Sự tự phóng điện: 3.5.1. Định nghĩa:
Sự tự phóng điện là sự phóng điện trong chất khí mà tính dẫn điện được duy trì bằng chính sự phóng điện của bản thân chất khí, khơng cần đến sự tham gia của nguồn bức xạ bề ngoài.
3.5.2. Cơ chế phóng điện:
Khơng khí ln có một lượng electron nào đấy. Dưới tác dụng của điện trường mạnh hai điện cực kim loại sẽ xảy ra sự tăng tốc electron đạt đến năng lượng khá lớn. Các electron bay nhanh va chạm phải các phân tử khí trung hồ, các phân tử này sẽ phân chia thành các electron lần thứ hai và các ion dương. Q trình ion hố chất tăng lên theo cấp số nhân và theo đặc tính giống như hiện tượng “tuyết lở”.
Sơ đồ 3.1. Cơ chế phóng điện [Internet]
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Các ion bay tới va chạm vào cathode làm tách các electron ra khỏi cathode dẫn đến quá trình tăng gấp electron.
Tổng số electron đến Anode:
n = n0exp(α d)/(1 - λ (exp(α d) – 1)) α : hệ số tăng electron
3.6.Tạo gốc OH:
Hình 3.1. (a) nhóm cacbonyl, (b) nhóm hydroxyl, và (c) nhóm carboxyl. nhóm carboxyl.
Quá trình phân huỷ oxi hố dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Gốc hydroxyl *OH là một tác nhân oxi hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxi hóa được biết từ trước đến nay.Thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH là 2,8V, cao nhất trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp.
3.7. Đặc tính plasma:
PLASMA là trạng thái thứ tư của vật chất
(các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem
như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ. Hình 3.2. Tia plasma[internet] Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dịng vật chất bên ngồi, như từ các bức xạ điện từ thì plasma cịn gọi là plasma nguội. Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đơng các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa..
Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma cịn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, tồn bộ các ngun tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ cịn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.
3.7.1. Tính chất vật lý của plasma:
-Có thể bị chi phối mạnh bởi từ trường (bó thắt lại được). -Bức xạ từ vùng hồng ngoại đến tận vùng tử ngoại (tia X). -Phát nhiệt mạnh (với mật độ Plasma dày).
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
3.7.2. Hiện tượng xảy ra trong plasma
Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn
giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng tồn khối vẫn đứng yên.
Trạng thái thứ tư, phân tử khí bị ion hóa thành electron và ion tự do bằng bởi việc nhận năng lượng (bức xạ điện hoặc nhiệt).
Plasma nguội (bức xạ điện từ): hiện tượng phóng điện trong chất khí: ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa.
Plasma nóng: do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao.
Hình 3.3. Trạng thái plasma [Internet]
Plasma trung hòa về điện, bao gồm electron, ion, nguyên tử trung hòa và phân tử, chúng có năng lượng động học khác nhau, trong đó electron có năng lượng cao nhất và các phân tử có năng lượng ít nhất.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chịu ảnh hưởng lớn bởi điện trường và từ trường.
(a) (b)
Hình 3.4: Plasma chịu ảnh hưởng:
a.Điện trường. b.Từ trường.
Trong các phịng thí nghiệm, ta có thể hình dung có sự phóng điện trong một tụ điện (đó là một bình chứ chất khí sẽ làm mơi trường để tạo plasma) với một nguồn khí cung cấp tạm thời cho sự ion hố khí.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Hiện nay, sự phóng điện liên tục thường được sử dụng để tạo ra một một trạng thái ổn định động, trong đó có một sự cân bằng giữa việc phát ra (các nguồn) và tổn thất (các chỗ thốt nhiệt). Một bình chứa duy trì một trạng thái ổn định động như dịng khí vào ở mức tương tự tỷ lệ so với khi chảy vào. Nếu quá trình phát và tổn thất được tách biệt về mặt vật lý, thơng thường đó là trường hợp tạo plasma trong phịng thí nghiệm và khơng có sự cân bằng (về nhiệt), sau đó năng lượng đã được dồn vào việc tạo plasma được vận chuyển một cách hiệu quả đến vùng tổn thất và dòng ổn định của năng lượng phải được cung cấp để duy trì trạng thái ổn định. Plasma tạo ra trong phịng thí nghiệm được hình thành khi khí bị ion hóa bằng việc cho một dịng điện qua nó, hoặc bằng cách chiếu bức xạ điện từ (đèn
phóng điện đơteri) vào nó. Nói chung, các phương thức hình thành plasma này là
cung cấp năng lượng trực tiếp đến các điện tử tự do trong plasma. Sự va chạm điện tử (electron)-nguyên tử giải phóng thêm các điện tử và nhiệt độ của chất khí. Cuối cùng các điện tử (electron) có nhiệt tăng lên một chút và lớn hơn so với các ion, bởi vì các điện tử mang dòng điện hoặc hấp thụ năng lượng điện từ, nhưng sự hiện diện của bình chứa có nghĩa là khơng có thời gian và cũng khơng có khơng gian cho sự cân bằng nhiệt.
Chương 4: Phương hướng và các giải pháp công nghệ
CHƯƠNG IV: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 4.1. Yêu cầu đề tài và thông số thiết kế: 4.1. Yêu cầu đề tài và thông số thiết kế:
Yêu cầu cần đạt được là bề mặt chi tiết máy xử lý phải bảo đảm yêu cầu kỹ thuật như: tăng độ hấp thụ, giảm ma sát, tăng độ bám dính trước khi sơn, độ bám dính xi mạ…
-Tốc độ xử lý 0.1-10m/phút, nhiều cấp tốc độ. -Điện áp đầu vào: 220V.
-Tần số: 50 Hz.
-Cường độ dịng điện: 0 – 3A. -Mẫu vật liệu: Thép, nhơm…
-Dung dịch hấp thụ: Sơn, dầu, nhớt…
-Có khả năng thay đổi độ hấp thụ cho nhiều mục đích: sơn, dầu… -Có khả năng thay đổi khoảng cách xử lý.
4.2. Phương hướng và phương pháp thực hiện:
Khi tiến hành thực hiện thì phải chú ý tới các vấn đề sau: -Các chất khí xúc tác (Ar, N2, H2…).
-Mơi trường làm việc (áp suất, nhiệt độ khí quyển).
-Plasma muốn xảy ra cũng cần phải có điều kiện cụ thể của nó (điện áp, tần số, khoảng cách giữa hai điện cực), trong q trình thiết kế phải tính đến sự phóng điện của các điện cực để khơng xảy ra sự cố khi vận hành lâu ngày.
-Tiến hành chọn đường kính làm việc của ống cách điện rồi từ đó xác định ra phương án nâng, giữ ống hợp lý, không cho các tác động bên ngoài ảnh hưởng đến ống thủy tinh (rất dễ vỡ).
Chương 4: Phương hướng và các giải pháp công nghệ
Điều khiển vận tốc thanh trượt – vít me thơng qua dây đai
Phơi (Sắt ,thép, mica, gỗ)
4.3. Các phương án thực hiện:
Theo u cầu ban đầu mơ hình cần có cơ cấu tịnh tiến để điều khiển vận tốc xử lý phôi và cơ cấu thay đổi khoảng cách xử lý hoặc tăng độ hấp thụ của hai bề mặt kim loại. Ta có các phương án thực hiện như sau:
Điều chỉnh tần số
Nguồn plasma Buồng xử lý plasma
Điều chỉnh điện áp Điều chỉnh khoảng cách 2 điện
cực
Khí xúc tác (Ar, Helium...)
Điều chỉnh lưu lượng khí bơm vào 5 – 10 lít/phút.
Bình khí
Chương 4: Phương hướng và các giải pháp công nghệ
4.3.1. Phương án 1:
Hình 4.1. Cơ cấu băng tải.
Chọn cơ cấu tịnh tiến là băng tải.