پلاسما در تکنولوژی

پلاسما در تکنولوژی و پلاسماهای فن­ آورانه

پلاسماهای فن­ آورانه به طور معمول با تأمین انرژی از منابع توان الکتریکی ایجاد می ­شوند. اگر چه تحریک از امواج ضربه­ و پلاسماهای شیمیایی و عمل کردن در ناحیه ­ای از فشار اتمسفری پایین، تا حدود (3-10×2/75 تور) 10امکان ­پذیر است.

فشارهای گاز به اندازه ­ی کم، در حدود (14-10×52/7 تور)  11-10 در آزمایشگاه به دست آمده ­اند. اما استفاده از پلاسماها، توسط چگالی انرژی در فشارهای پایین تا حدود (3-10×752/0 تور)  3-10×100 که فاصله­ ی آزاد میانگین از مرتبه­ ی  100 است، محدود می­ باشد.

پلاسماهای فن­ آورانه اغلب به عنوان پلاسماهای سرد شناخته می­ شوند. زیرا دماهای ذره خنثی و یون، اغلب از دمای الکترون خیلی کم­تر هستند.

اگر مقیاس ­های طولی و زمانی تغییرات میدان الکتریکی در مقایسه با فاصله ­ی آزاد میانگین و فرکانس برخورد طولانی باشند، برخوردها در پلاسما باعث یک توزیع آماری در سرعت ­ها و انرژی می ­شوند.

پلاسماها در فشارهای گاز تا حدود (3-10 تور)  133/0، متناظر با چگالی ذرات 1019. می­ توانند به طور آماری به عنوان یک شاره‌‌‌ی شبه پیوسته در نظر گرفته شوند. در چگالی‌های پایین‌تر از این، یک جدایی اساسی بین ذرات وجود دارد و رفتار شاره به طور دقیق ­تر با رفتار ذرات منفرد (الکترون­ ها و یون­ های آزاد) مانند آن چیزی که در پرتوهای الکترون و یون رخ می­ دهد، توصیف می ­شود.

پلاسما در تکنولوژی معاصر

پلاسماها به طور وسیعی در تکنولوژی مورد استفاده قرار می­ گیرند. پلاسماها در دماهای خیلی بالاتر در مقایسه با مشعل­ های سوخت شیمیایی قابلیت دسترسی بهتری دارند. و یک گونه وسیعی از یون­ ها، رادیکال­ ها و دیگر ذرات فعال شیمیایی در آن تولید می­ شود. بنابراین یا مستقیماً داخل یک پلاسما یا با کمک آن، می­توان پردازش ­های تکنولوژی یا شیمیایی که از اهمیت برخوردار هستند انجام داد. 

قدیمی­ ترین کاربرد پلاسما، عامل انتقال گرما در جوشکاری و برش فلزات است. با این که دمای بیشینه در مشعل­ های شیمیایی در حدود 3000 است. آن­ها برای بعضی از مواد قابل استفاده نیستند.

تخلیه­ ی الکتریکی قوس (قوس الکتریکی) امکان افزایش این دما وجود دارد. بنابراین ذوب کردن و تبخیر هر ماده ­ای ممکن است. تخلیه­ ی الکتریکی از زمان آغاز قرن نوزدهم برای جوشکاری و برش فلزات مورد استفاده قرار گرفته است. در حال حاضر، مشعل­ های پلاسما با توان ده مگاوات برای ذوب کردن فلزات در برج ­های گردان، برای ذوب کردن، برای تولید آلیاژهای فولاد استفاده می ­شوند.

پردازش پلاسما برای استخراج فلزات از سنگ ­های معدنی استفاده می­ شوند. در بعضی از حالات روش ­های پلاسما با انواع گرمادهی شیمیایی رقابت می ­کنند. روش­ های پلاسما یک خروجی ویژه ­ی بالاتر، یک کیفیت بالاتر تولید، و یک مقدار کمتر زباله مهیا می­ کند اما نیازمند یک هزینه ­ی بالاتر و ابزار گران­تر است.

پلاسماها به طور گسترده ­ای برای پردازش و اصلاح سطوح استفاده می ­شوند. توانایی­ های خوب انتقال گرمای مربوط به یک پلاسما برای اصلاح سطوح مفید هستند. در طول پردازش سطوح، ترکیب شیمیایی سطح تغییر نمی­ کند اما ممکن است پارامترهای فیزیکی اصلاح شوند.

جنبه­ ی دیگر پردازش یک سطح به وسیله­ ی یک پلاسما به حالتی که ذرات فعال پلاسما به طور شیمیایی با سطح برهم­کنش می­ کنند برمی ­گردد. لایه ­ی بالایی سطح می­ تواند یک ترکیب شیمیایی متفاوت نسبت به زیر لایه پیدا کند. به عنوان مثال، سخت ­سازی به وسیله ­ی پلاسما مربوط به سطح فلزی در هنگامی رخ می ­دهد که یون ها در سطح لایه شکل می ­گیرند. این ترکیب­ ها در هنگامی که یون ­ها یا اتم­ های فعال در پلاسما به لایه­ ی سطح نفوذ می ­کند.

یک مکانیسم سوم برای عمل پلاسما روی یک سطح در هنگامی که ماده سطح به خودی خود در فرآیند شیمیایی شرکت نمی ­کند تحقق می ­یابد اما ماده از پلاسما روی سطح به شکل یک لایه نازک رسوب می­ کند.

این لایه نازک می­ تواند دارای خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی، نوری ویژه ­ای باشد که برای مسائل و نیازهای خاصی مفید هستند. استفاده برای این منظور از پرتوهای پلاسمایی که از جت جریان می ­یابد سازگار است. این­گونه پرتوها می­تواند در نتیجه ­ی گسترش پرتو تبدیل به خوشه ­ها شود. روش پرتو خوشه یونی برای رسوب لایه ­های نازک استفاده می ­شود.

به دلیل این که در طول رسوب خوشه­ ها گرمای کم­تری در مقایسه با هنگام رسوب آن­ها آزاد می­ شود، روش پرتو خوشه­ی یونی کیفیت اصلاح شده­ای از لایه­های نازک شکل گرفته مهیا می­کند، اگر به پرتوهای خوشه­ای یونی دارای یک شدت کم­تری در مقایسه با پرتوهای اتمی یا یون­های اتمی دارند. روش­های پرتو برای رسوب لایه­های نازک در ساخت قطعات میکرو الکترونیک، آینه­ ها و سطوح خاص همه گیر هستند.

علاوه بر فرآیندهای رسوب­ گذاری در نتیجه جریان ­های پلاسی که شامل اتم­ ها یا خوشه ­ها هستند، یک فرآیند افشانه پلاسمایی برای رسوب­ گذاری ذرات پودر ذوب شده روی یک نمونه استفاده می ­شود.

ذرات پودر در یک جت پلاسما که از عبور یک گاز از یک قوس تخلیه­ ی الکتریکی نتیجه می­ شوند وارد می­ شوند. این ذرات در جت پلاسما شتاب داده می­ شوند که به یک هدف جهت داده می­ شوند. ذرات ذوب شده با سرعت ­های بالای با سطح برخورد می­ کنند، می­ چسبند و یک لایه پوشاننده شکل می­ دهند.

یک حوزه ­ی مهم از کاربردهای پلاسما، شیمی پلاسما است که مربوط به تولید ترکیبات شیمیایی است.

اولین فرآیند پلاسما شیمیایی صنعتی برای تولید آمونیاک در آغاز قرن بیستم به کار برده شد. این بعداً با یک روش ارزان­تر که آمونیاک را از نیتروژن و هیدروژن در یک دمای بالا تولید می ­کرد جایگزین گردید، یک راکتور فشار بالا با یک کاتالیست پلاتینیوم. فرآیند دیگر پلاسما شیمیایی مربوط به تولید اوزون در یک تخلیه ­ی الکتریکی سدی است. این روش برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفته است.

توسعه در مقیاس بزرگ شیمی پلاسما به دلیل نیاز به شدت توان بالا با تأخیر زیادی مواجه شد. وقتی که دیگر معیارها تبدیل به عوامل محدود کننده­ ای شوند، فرآیندهای پلاسما شیمیایی جدیدی در رأس قرار گرفتند. در حال حاضر، آرایه ­ای از ترکیبات شیمیایی که به صورت صنعتی با روش­ های پلاسما شیمیایی تولید شده ­اند شامل C2H2، HCN، TiO2، AL2O3، Sic، XeF6، KrF2، O2F2 و تعداد زیاد دیگری می­ باشند. تولیدات یک فرآیند پلاسما شیمیایی پودرهای با ترکیب یک گاز یا به شکل ذرات چگالیده وجود داشته باشند.

تولید صنعتی پلاسما شیمیایی پودرهای با ترکیب سرامیکی مانندSiC  و Si3N4 یا پودرهای فلزات اکسیدهای فلزات به یک تولید نهایی با کیفیت بالا منتهی می­ شود.

فرآیندهای پلاسما شیمیایی با شرکت ترکیبات آلی به همراه فرآیندهای شیمیایی با مواد معدنی استفاده می ­شوند. کاربردهای ترکیب آلی شامل تولید پلی­مرها و پوسته­ های پلیمری، تشکیل ترکیبات آلی ریز در یک پلاسمای و مانند آن هستند.

در یک برآورد کیفی کاربردهای تکنولوژیکی پلاسما، نتیجه می­ گیرید که فن ­آوری­ های پلاسی دارای یک پایه ­ی معتبر و دورنماهای حاضری برای اصلاحات مهم بیشتری هستند.

پردازش پلاسمایی برای کاربردهای محیطی در دو جهت در حال توسعه است.

اولی مربوط به شکستن مواد سمی، مواد انفجاری و سایر زباله­ های خطرناک است که می ­تواند در یک پلاسما به ترکیبات شیمیایی ساده ­شان شکسته شوند.

دومی مربوط به اصلاح کیفیت هوا است. یک تخلیه در توان کم برای این منظور استفاده می ­شود. تخلیه ­ی الکتریکی تولید ذرات اتمی فعال مانند اتم­ های اکسیژن می ­کند. این اتم ­ها دارای یک میل ترکیبی برای ترکیبات شیمیایی فعال در هوا هستند و با آن­ها برهم­کنش می ­کنند. این نوع تخلیه ­های الکتریکی هم چنین میکروب­ ها را از بین می ­برند اما خطری برای بشر به دلیل غلظت کم این ذرات ندارند.