CHƯƠNG 2 PLASMA VÀ ỨNG DỤNG PLASMA TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ
2.3 Phân loại plasma
2.3.1 Plasma nóng (thermal plasma)
Plasma gần như trong trạng thái cân bằng nhiệt động hay ở trạng thái cân bằng nhiệt động được gọi là plasma nóng. Nó có đặc trưng là nhiệt độ của cả hệ đồng đều và rất cao cho tất cả các phần tử điện tử, ion và hạt trung tính trong plasma. Plasma nóng đạt hoặc tiệm cận đến độ ion hóa cao nhất (100%). Điều kiện cần thiết để tạo thành plasma nóng là áp suất làm việc phải đủ lớn, thường là trên 10 kPa. Áp suất cao tạo điều kiện cho một số lượng lớn va chạm giữa các phần tử, dẫn đến sự phân phối lại năng lượng trở về trạng thái cân bằng nhanh chóng. Một dạng cụ thể quen thuộc là plasma trong phóng điện hồ quang.
Plasma nóng được áp dụng trong công nghiệp trên phạm vi rộng. Những thành tựu kinh tế mới là luyện kim, tổng hợp khí bằng plasma reforming, tổng hợp
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 35
bột gốm, phun phủ plasma, ngưng tụ hơi vật lý, hóa học và loại bỏ các chất độc. Trong tương lai plasma sẽ được ứng dụng hầu hết trong những nhà máy điện không cần tuabin, những động cơ plasma, trong phản ứng nhiệt hạch có điều khiển. Tuy nhiên, plasma nóng với những tính chất khơng thể ngờ tới cịn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học. Cơng nghệ plasma nóng hiện nay chủ yếu bao gồm hồ quang điện, plasma jet, phản ứng hạt nhân plasma nhiệt độ siêu cao và plasma xung phóng điện.
2.3.2 Plasma lạnh (non-thermal plasma)
Plasma khơng nóng (plasma lạnh hoặc plasma nhiệt độ thấp) có nhiệt độ điện tử Te cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ của ion Ti và nhiệt độ của khí trung hịa Tg (Te >> Ti,Tg). Plasma khơng nóng, khơng cân bằng điển hình sử dụng trong cơng nghệ thường có nhiệt độ điện tử từ 104 đến 105 K (tương ứng với năng lượng điện tử trung bình khoảng 0,5 ÷ 5 eV). Điều kiện để có được plasma lạnh là áp suất thấp (thường dưới 10 kPa) để hạn chế sự va chạm của các hạt trong hệ.
Hệ plasma lạnh có độ ion hóa thấp (khoảng 10-4 ÷ 10%). Độ ion hóa của plasma α thể hiện các thành phần mang điện (ví dụ các ion dương) được đánh giá theo công thức: 0 e e n n n
Trong đó n0 là mật độ của chất khí trung tính. Plasma lỗng (ion hóa yếu) có độ ion hóa nằm trong khoảng 10-6.
Ngược lại với plasma nóng, plasma khơng nóng xa với trạng thái cân bằng nhiệt động. Nó bao gồm phóng điện phát sáng cũng như phóng điện ở sóng điện cực ngắn và sóng radio ở áp suất dưới 10 kPa. Kỹ thuật plasma lạnh ở áp suất thường và áp suất thấp mới được ứng dụng trong giai đoạn gần đây trong gia công, trong xử lý bề mặt và cịn có những ứng dụng quan trọng mang tính kinh tế cao khác như chế tạo vi mạch điện tử và kỹ thuật chuẩn bị những thành phần chất dẻo dùng trong sơn dung môi lỏng.
Trong kỹ thuật điện, hiện nay người ta chủ yếu tập trung chú ý vào ba loại plasma lạnh là plasma áp suất thấp, plasma áp suất thường và plasma áp suất mật độ
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 36
cao. Kỹ thuật plasma áp suất thấp được sử dụng nhiều bao gồm phóng điện một chiều (chủ yếu ở áp suất 1,33 ÷ 13566 Pa), phóng điện xoay chiều tần số thấp (thường sử dụng tần số dưới 100 Hz) và plasma cao tần (ví dụ phóng điện tần số radio - high radio frenquency plasma). Còn các kỹ thuật plasma áp suất thường hiện đang được tập trung nghiên cứu bao gồm phóng điện qua rào cản điện mơi (DBD), phóng điện điện hoa (tùy theo độ phân cực của điện cực mà có kỹ thuật xoay chiều, một chiều … hay cao tần). Đối với plasma áp suất mật độ cao, thường tiến hành ở áp suất rất thấp (133 ÷ 2660 Pa), mật độ lực và độ ion hóa cao hơn so với phóng điện cao tần thơng thường.