Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí quyển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, đo đạc phân tích số liệu thu được từ quang phổ phát xạ của plasma áp suất khí quyển để xác định: Thành phần hoạt tính có trong plasma áp suất khí quyển, đặc trưng điện và đặc trưng phổ phát xạ, nhiệt độ electron trong plasma áp suất khí quyển, mật độ electron trong plasma áp suất khí quyển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí quyển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM TUẤN HƯNG NGHIÊN CỨU QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA PLASMA Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN, 10/2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM TUẤN HƯNG NGHIÊN CỨU QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA PLASMA Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HẢO THÁI NGUYÊN, 10/2018
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo, TS. Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô, tập thể cán bộ khoa Vật lý và Công nghệ, trường ĐHKH Thái Nguyên, các thầy cô và anh chị ở khoa Công nghệ Sinh học, trường ĐHKH Thái Nguyên đã tạo điều kiện và giúp đỡ em trong việc thử nghiệm vi sinh để hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Đỗ Hoàng Tùng và tập thể cán bộ Phòng Công nghệ plasma, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em trong thực nghiệm đo đạc,phân tích phổ và hoàn thành luận văn. Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2018 Học viên Phạm Tuấn Hưng
ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ ............................................................. vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN ......................3 1.1. Tổng quan về vật lý plasma ..................................................................................3 1.1.1. Plasma là gì? ..................................................................................................3 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma ...................................................................4 1.1.3. Phân loại plasma ............................................................................................ 5 1.1.3.1. Plasma nhiệt và phi nhiệt.........................................................................5 1.1.3.2. Plasma tự nhiên và nhân tạo ....................................................................7 1.1.3.3. Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu ...............................................9 1.2. Plasma ở áp suất khí quyển .................................................................................10 1.2.1. Phân loại các nguồn plasma ở áp suất khí quyển .........................................10 1.2.2. Các nguồn plasma ở áp suất khí quyển ........................................................11 1.2.2.1. Phóng điện tần số thấp và DC ............................................................... 11 1.2.2.2. Phóng điện RF .......................................................................................12 1.2.2.3. Plasma gây ra do vi sóng .......................................................................13 1.2.3. Plasma nhiệt hay plasma cân bằng nhiệt động học cục bộ .......................... 14 1.2.4. Plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt động học cục bộ (non- LTE) .......................................................................................................................16 1.3. Ứng dụng của plasma lạnh ở áp suất khí quyển .................................................17
iii CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ..................................................................................19 2.1. Giới thiệu về nguồn phát plasma ở áp suất khí quyển ........................................20 2.1.1. Nguyên tắc hoạt động chung ........................................................................20 2.1.2. Cấu tạo .........................................................................................................21 2.2. Máy quang phổ ...................................................................................................26 2.3. Đo đặc trưng điện của plasma.............................................................................27 2.4. Đo phổ phát xạ của plasma .................................................................................29 2.4.1. Lắp đặt hệ đo ................................................................................................ 29 2.4.2. Phương pháp quang phổ phát xạ quang OES...............................................32 2.4.3. Xác định nhiệt độ điện tử của plasma .......................................................... 34 2.4.4. Xác định mật độ điện tử của plasma ............................................................ 34 2.4.5. Những đo đạc thực nghiệm đã thực hiện .....................................................36 2.5. Đo cường độ UV của plasma ..............................................................................37 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 39 3.1. Kết quả đo đặc trưng điện của plasma ................................................................ 39 3.2. Kết quả đo phổ phát xạ của plasma ....................................................................39 3.2.1. Quang phổ phát xạ của plasma ....................................................................39 3.2.2. Đặc trưng phổ phát xạ phụ thuộc tốc độ dòng khí .......................................42 3.2.3. Đặc trưng phổ phát xạ phụ thuộc khoảng cách đo .......................................44 3.3. Cường độ UV của plasma ...................................................................................46 3.4. Kết quả xác định nhiệt độ điện tử của tia plasma ...............................................49 3.4.1. Đánh giá nhiệt độ điện tử thông qua bốn vạch argon đặc trưng ..................49 3.4.2. Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử vào tốc độ dòng khí ............................... 50 3.4.3. Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử theo khoảng cách đo.............................. 52 3.5. Kết quả xác định mật độ điện tử của plasma ......................................................54
iv 3.5.1. Sự phụ thuộc của mật độ điện tử theo tốc độ dòng khí ................................ 54 3.5.2. Sự phụ thuộc của mật độ điện tử theo khoảng cách đo................................ 55 KẾT LUẬN ..................................................................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 60
v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt OES Optical emission spectrum Quang phổ phát xạ quang LTE Local thermodynamic Trạng thái cân bằng nhiệt động equilibrium lực học cục bộ FWHM Full Width at Half Maximum Độ bán rộng phổ UV Ultra-violet Tia cực tím Te Electron Temperature Nhiệt độ electron ne Electron Density Mật độ electron PLC Programmable logic controller Bộ điều khiển trung tâm
vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Những đặc trưng của Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt. Bảng 1.2. Nhiệt độ và mật độ điện tử của một số loại plasma tự nhiên và nhân tạo. Bảng 2.1. Các thông số 4 vạch phổ Argon. Bảng 3.1. Dữ liệu phổ các vạch phổ phát xạ OH, N2, O, Ar I có liên quan. Các mức năng lượng ban đầu, mức năng lượng cuối cùng. Sự dịch chuyển năng lượng tạo ra các vạch phổ. Bảng 3.2. Cường độ các vạch phổ thay đổi theo tốc độ dòng khí. Số liệu đo với khoảng cách 5 mm từ đầu đo tới đầu plasma. Bảng 3.3. Cường độ các vạch phổ thay đổi theo khoảng cách đo. Số liệu đo với tốc độ dòng khí 8 lít/phút. Bảng 3.4. Quan hệ giữa chỉ số UV và mối nguy hiểm đến sức khỏe con người. Bảng 3.5. Mối liên quan giữa cường độ tia UV với khoảng cách chiếu tia và tốc độ dòng khí, với L=20 mm là độ dài của chùm tia plasma phát ra ngoài khí quyển khi nguồn plasma làm việc với tốc độ khí 10 lít/phút. Bảng 3.6. Cường độ 4 vạch phổ đặc trưng của Argon khi nguồn hoạt động với tốc độ dòng khí Argon là 8 lit/phút, khoảng cách đo không đổi là 5 mm. Bảng 3.7. Sự phụ thuộc nhiệt độ electron theo tốc độ dòng khí. Khoảng cách đo cố định là 5mm. Tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của vạch Ar 696,54 nm. Bảng 3.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ electron theo khoảng cách đến đầu sợi quang. Tốc độ dòng khí không đổi là 8 lit/phút. Tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của vạch Ar 696nm. Bảng 3.9. Mật độ điện tử của plasma phụ thuộc theo tốc độ dòng khí . Bảng 3.10. Mật độ điện tử của plasma phụ thuộc theo khoảng cách đo.
vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Jonhannes Stark 3 Hình 1.2 Irving Langmuir 3 Hình 1.3 Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất 3 Hình 1.4 Mặt Trời có thành phần vật chất chủ yếu là Plasma 7 Hình 1.5 Bắc cực quang 7 Hình 1.6 Sét hòn 8 Hình 1.7 Tia sét 8 Hình 1.8 Tivi Plasma 9 Hình 1.9 Đèn huỳnh quang 9 Hình 1.10 Nguồn plasma phóng điện DC 12 Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma phóng điện RF 13 Hình 1.12 Một nguồn plasma RF trong thực tế 13 Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo nguồn plasma vi sóng ECR 14 Hình 1.14 Tia sét là plasma nhiệt áp suất khí quyển 15 Hình 1.15 Hồ quang điện là plasma nhiệt áp suất khí quyển 15 Hình 1.16 Plasma lạnh là một dạng plasma phi nhiệt áp suất khí quyển 17 Hình 1.17 Ứng dụng plasma lạnh trong điều trị vết thương ngoài da 18 Hình 1.18 Ứng dụng plasma trong chế tạo các bộ phận ô tô 18 Hình 1.19 Ảnh SEM của polypropylen ban đầu (a) và sau khi xử lý plasma 19 1 phút (b);3 phút (c); 5 phút (d); 7 phút (e) Hình 2.1 Thiết bị plasma jet PlasmaMed-01T 20 Hình 2.2 Minh họa (a) và Ảnh chụp sự phóng điện hồ quang trượt (b) 21 Hình 2.3 Sơ đồ khối cấu tạo của plasma jet hồ quang trượt, lạnh 22 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý nguồn điện nuôi công suất nhỏ 22 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nguồn khí 23 Hình 2.6 Mặt cắt dọc của đầu phát chùm tia plasma 24 Hình 2.7 Mũ chụp có thể thay đổi khẩu độ 25 Hình 2.8 Chùm plasma phát ra từ nguồn plasma Med – 01T 25 Hình 2.9 Máy quang phổ Avantes AvaSpec 26
viii Hình 2.10 Các bộ phận chính của máy quang phổ Avantes 26 Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của đầu thu tín hiệu quang công 27 nghệ CCD được ứng dụng trong máy Avantes AvaSpec Hình 2.12 Đầu dò điện thế Tektronix 28 Hình 2.13 Dao động ký TektronixTDS 100B 28 Hình 2.14 Đầu dò dòng Extech TL620 28 Hình 2.15 Sơ đồ đo đặc trưng điện (thế và dòng) của plasma 29 Hình 2.16 Sơ đồ lắp đặt hệ đo phổ phát xạ của plasma 29 Hình 2.17 Hệ đo đã được lắp đặt xong 30 Hình 2.18 Chạy phần mềm AvaSoft dành cho máy quang phổ AvaSpec 30 Hình 2.19 Đo thử phổ ánh sáng trắng 31 Hình 2.20 Đo thử phổ phát xạ của plasma 31 Hình 2.21 Sợi quang vuông góc với cột plasma 31 Hình 2.22 Sự chuyển quỹ đạo dừng của điện tử và kèm theo phát ra photon 33 Hình 2.23 Một ví dụ về quang phổ OES thu được 33 Hình 2.24 Vị trí độ bán rộng 1/ 2 (FWHM) trên một vạch phổ 36 Hình 2.25 Máy đo tia UV hiệu UV light meter 340B 37 Hình 3.1 Đường đặc trưng thế (màu đen) và đường đặc trưng dòng (màu 38 đỏ) của plasma Hình 3.2 Quang phổ phát xạ của plasma, khí Ar công suất nguồn 20 W, 39 tốc độ dòng khí 8 lit/phút, đường kính tia plasma 6 mm Hình 3.3 Quang phổ phát xạ quang của plasma sử dụng khí Ar thu được 41 khi làm việc ở những tốc độ dòng khí khác nhau Hình 3.4 Liên hệ giữa cường độ các vạch phổ điển hình của plasma với 42 tốc độ dòng khí argon Hình 3.5 Quang phổ phát xạ quang của plasma sử dụng khí Ar thu được 43 khi làm việc ở những khoảng cách độ dài cột plasma khác nhau Hình 3.6 Liên hệ giữa cường độ các vạch phổ điển hình của plasma với 44 khoảng cách đo Hình 3.7 Vùng bước sóng tử ngoại UVA, UVB, UVC 45 Hình 3.8 Liên hệ giữa cường độ tia UV với khoảng cách chiếu tia 47
ix Hình 3.9 Liên hệ giữa cường độ tia UV với tốc độ dòng khí 47 Hình 3.10 So sánh cường độ UV của plasma (cột 1) với với cường độ tia 48 UV sinh ra từ Mặt Trời (cột 2) Hình 3.11 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử KT (tính theo eV) vào tốc độ 50 dòng khí Hình 3.12 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử Te (tính theo K) vào tốc độ 50 dòng khí. Khoảng cách đo không đổi là 5 mm Hình 3.13 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử KT (tính theo eV) vào khoảng 51 cách đo Hình 3.14 Sự phụ thuộc của nhiệt độ điện tử Te (tính theo K) vào khoảng 52 cách đo Hình 3.15 Sự phụ thuộc của mật độ electron vào tốc độ dòng khí Argon 53 Hình 3.16 Sự phụ thuộc của mật độ electron vào khoảng cách đo 54
1 MỞ ĐẦU Plasma nhiệt độ thấp và phi nhiệt ở áp suất khí quyển là một chủ đề rất được quan tâm trong các lĩnh vực khoa học khác nhau. Plasma jet ở áp suất khí quyển thu hút sự chú ý lớn vì các ứng dụng tiềm năng của chúng trong nhiều lĩnh vực như xử lý bề mặt polyme, cho các ứng dụng y sinh (sinh học plasma, y tế và y học cũng như xử lý vật liệu và công nghệ nano) và kiểm soát ô nhiễm [1, 2]. Đặc biệt, các ứng dụng y sinh học của plasma jet đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng gần đây. Vì thiết bị plasma tạo ra các chùm plasma ngay trong không khí ở áp suất khí quyển (hơn là trong khoảng cách phóng điện giới hạn), chúng có thể được sử dụng để điều trị trực tiếp và không có giới hạn về kích thước của đối tượng được xử lý [3, 4]. Một trong những điều kiện tiên quyết cho ứng dụng y sinh học là plasma jet làm việc ở gần nhiệt độ phòng và mang dòng điện thấp dưới áp suất trung bình [5]. Cho đến nay, các ứng dụng như điều trị ung thư [6-8], khử trùng, tẩy trắng răng, đông máu và chữa lành vết thương [9-11] đã được chứng minh. Do tính chất điện và hóa học của chúng, sự phóng plasma trong không khí là sự tổng hợp của các loại điện tích, các photon năng lượng và các gốc tự do vào môi trường xung quanh. Plasma phi nhiệt ở áp suất khí quyển, cũng được gọi là plasma lạnh, được định nghĩa là một mức độ thấp của khí bị ion hóa. Sự tương tác của plasma phi nhiệt với các bề mặt là một chủ đề được nghiên cứu rất sâu và rộng trong nhiều thập kỷ. Cả plasma áp suất khí quyển và plasma áp suất thấp đã được sử dụng rộng rãi để sửa đổi và chức năng hóa một lượng lớn các bề mặt bao gồm polyme và vật liệu sinh học [12–17]. Sự hiểu biết tính chất vật lý của các quá trình tương tác bề mặt-plasma biên đã trở thành một chủ đề quan trọng cơ bản. Để sử dụng plasma này trong các ứng dụng trong công nghiệp, y sinh và môi trường một cách hiệu quả, cần phải biết các thông số plasma như thành phần hóa học, các loại hoạt tính của plasma, nhiệt độ electron (Te) và mật độ điện tử (ne) [18, 19]. Để xác định nhiệt độ điện tử và mật độ electron của plasma áp suất thấp, phép đo thăm dò điện hoặc đầu dò Langmuir được sử dụng rộng rãi [20, 21]. Tuy nhiên, lý thuyết thăm dò cho plasma áp suất khí quyển có một tần số va chạm trung hòa - điện tử lớn vẫn chưa được thiết lập. Việc áp dụng phép đo thăm dò vào plasma áp suất khí quyển là khó khăn
2 do khoảng cách giữa các điện cực nhỏ và do vấn đề liên quan đến tải nhiệt lớn và nhiễu tần số cao [22]. Vì vậy, thay thế cho phép đo dò điện, phương pháp quang phổ phát xạ quang học OES được sử dụng rộng rãi để đo các thông số plasma bên trong (Te và ne) dưới môi trường áp suất khí quyển [23]. Các kỹ thuật dựa trên phát xạ quang học là không xâm lấn và chỉ cần thiết bị quang phổ vừa phải [24, 25]. Chính vì những lí do trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí quyển”. Mục tiêu của luận văn: Nghiên cứu quang phổ phát xạ để tìm hiểu thành phần hoạt tính và các đặc trưng của plasma ở áp suất khí quyển. Nội dung luận văn: Luận văn được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, đo đạc phân tích số liệu thu được từ quang phổ phát xạ của plasma áp suất khí quyển để xác định: - Thành phần hoạt tính có trong plasma áp suất khí quyển. - Đặc trưng điện và đặc trưng phổ phát xạ - Nhiệt độ electron trong plasma áp suất khí quyển. - Mật độ electron trong plasma áp suất khí quyển. Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận được chia làm 3 chương như sau: + Chương 1. Tổng quan về plasma áp suất khí quyển + Chương 2. Thực nghiệm + Chương 3. Kết quả và thảo luận
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PLASMA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN 1.1. Tổng quan về vật lý plasma 1.1.1. Plasma là gì? Cơ sở của ngành vật lý plasma có công đóng góp rất lớn của hai nhà vật lý Stark và Langmuir. Năm 1902, nhà Vật lý học người Đức Jonhannes Stark đã cho ra đời cuốn sách lý thuyết vật lý đầu tiên đầy đủ nhất về khí tích điện (Die Elektrizitaet in Gasen) và nhờ đó ông được nhận giải Nobel vật lý năm 1919 [28]. Sau đó đến năm 1923, nhà bác học Irving Langmuir (1881-1957) khám phá ra “dao động Plasma” trong chất khí bị ion hóa và đến năm 1928 ông là người đầu tiên chính thức đưa ra thuật ngữ “Plasma” cho ngành Vật lý [1]. Hình 1.1. Jonhannes Stark Hình 1.2. Irving Langmuir Trong trạng thái plasma đa số phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân. Các electron không còn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nữa nên chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phải là vật chất phổ biến trên Trái đất nhưng các nghiên cứu cho thấy 99 % vật chất đã phát hiện trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Plasma được coi là trạng thái đầu tiên của vật chất trong vũ trụ [1]. Hình 1.3. Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất
4 Khi cung cấp năng lượng cho một chất rắn, sự chuyển động của những nguyên tử hoặc phân tử tăng lên làm vật chất chuyển sang trạng thái lỏng, sau đó thành trạng thái khí. Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cao hơn nữa thì quá trình va chạm giữa các hạt trong chất trở nên đủ mạnh khiến các hạt vỡ thành từng phần tạo thành các hạt mang điện tích là các electron và ion [2]. Trạng thái này được gọi là Plasma hay “trạng thái thứ tư” của vật chất, ba trạng thái trước đó lần lượt là rắn, lỏng và khí [1]. Plasma xét trên toàn thể là hệ trung tính về điện tích vì trong tổng thể khối Plasma có số lượng cân bằng nhau giữa điện tích âm và điện tích dương. Một đặc trưng đáng kể đến đầu tiên của Plasma là các hạt tích điện và có năng lượng cao. Do đó môi trường Plasma có thể phát ra ánh sáng từ bức xạ hồng ngoại với bước sóng vài trăm micromet tới bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại. Plasma ở nhiệt độ cao thậm chí còn có thể bức xạ một số bức xạ bước sóng ngắn hơn cả tia tử ngoại [1]. 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp nhờ hệ thống thiết bị máy móc hiện đại, tạo cơ hội cho việc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, laser, đèn huỳnh quang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô bệnh và nhiều ứng dụng khác. Rất nhiều các bộ phận của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay được sản xuất dựa trên công nghệ plasma. Nói chung, plasma có ba đặc tính quan trọng để đưa vào ứng dụng: - Nhiệt độ và mật độ năng lượng của một vài thành phần hạt trong plasma có thể vượt quá khả năng của công nghệ tạo nhiệt thông thường. Nhiệt độ của plasma có thể dễ dàng vượt qua mức 10.000 K nên trong một số lĩnh vực sản xuất công nghiệp đòi hỏi môi trường nhiệt độ cao duy trì liên tục thì plasma là lựa chọn có thể nghĩ đến đầu tiên [1]. Ví dụ, làm gốm tan chảy cần cung cấp cho lớp bề mặt gốm nhiệt độ trên 3000 K, không có lựa chọn nào hợp lý hơn sử dụng nhiệt tạo ra từ plasma. Trong lĩnh vực y học, plasma với nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn có thể dễ dàng đốt cháy và cắt các mô bệnh mà không làm chảy máu. Trong thực tế hiện nay ứng dụng đặc tính nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn là phổ biến trong công nghệ, nghiên cứu khoa học và y học.
5 - Bên trong plasma có các phần tử hoạt chất (electron, các ion dương và âm, các nguyên tử và gốc tự do, các nguyên tử và phân tử bị kích thích, cũng như các photon có dải quang phổ rộng) với mật độ lớn và nồng độ cao. Mật độ lớn và nồng độ cao các hoạt chất là vô cùng cần thiết cho các ứng dụng plasma đóng vai trò nguồn để sinh ra tia lửa điện và đốt cháy, sinh ra ozon để làm chất ô xi hóa [1, 20, 21]. Trong y tế, việc tạo ra nồng độ cao các chất có thể hữu ích cho việc khử trùng các bề mặt mô sống, không khí và nước. - Trạng thái của môi trường plasma có thể khác xa so với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Do đó nó có thể cho phép một nồng độ rất cao các thành phần hoạt chất có trong plasma mà vẫn duy trì nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng. Đặc tính này là riêng biệt của plasma. Đặc tính này được sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử và bán dẫn. Đa số các linh kiện của máy tính, điện thoại di động, tivi, đèn ánh sáng lạnh được sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh. Đặc tính này của plasma cũng được ứng dụng trong việc xử lý bề mặt polyme. Trong y học, plasma tạo ra môi trường hoạt chất hóa học nồng độ rất cao khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho việc điều trị đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khử khuẩn da và các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trước đây điều trị không có hiệu quả bằng các phương pháp thông thường [1, 6-9]. Ba đặc tính trên đã mở rộng phạm vi và số lượng các lĩnh vực, các ngành có thể ứng dụng plasma. Trong thực tế hiện nay ứng dụng của plasma vẫn đang tiếp tục được phát triển sang các ngành sản xuất khác và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y học. 1.1.3. Phân loại plasma 1.1.3.1. Plasma nhiệt và phi nhiệt Cách phân loại Plasma quan trọng nhất là phân loại theo tính chất nhiệt động của hệ Plasma. Theo quan điểm này Plasma bao gồm Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt. Plasma nhiệt là plasma cân bằng nhiệt động [1, 29], nghĩa là nhiệt độ electron cân bằng với nhiệt độ của các ion khác có trong plasma. Plasma phi nhiệt là plasma không cân bằng nhiệt động, nghĩa là nhiệt độ electron cao hơn nhiều so với nhiệt độ các ion khác
6 có trong plasma. Trên bảng 1.1 là sơ lược về cách phân loại Plasma theo hai loại nêu trên: Bảng 1.1. Những đặc trưng của Plasma nhiệt và Plasma phi nhiệt [1]. Plasma LTE Plasma không LTE Loại Plasma (Plasma nhiệt) (Plasma phi nhiệt) Nhiệt độ electron ( Te ) Te  Th Te  Th và nhiệt độ hạt nặng ( Th ) Mật độ điện 1021  1026 hạt/m3 Dưới 109 hạt/m3 tử Tính chất Va chạm không đàn hồi giữa Va chạm không đàn hồi giữa các electron và các hạt nặng electron và hạt nặng tạo ra Sự va chạm tạo ra những dạng phản ứng dạng hóa Plasma. Những hạt giữa các loại Plasma. Trong khi đó những nặng bị làm nóng nhẹ nhờ hạt trong va chạm đàn hồi không làm một số va chạm đàn hồi. Do Plasma nóng các hạt nặng. Năng đó năng lượng electron vẫn lượng của electron bị mất dần được duy trì ở mức cao. đi. Ở trung tâm của Plasma hồ Plasma tạo ra do hiện tượng quang: phóng điện phát sáng: Te  Th  10.000K Te  10.000K  100.000K Th  300K  1000K Ví dụ điển hình Hồ quang Plasma lạnh
7 Vì nhiệt độ điện tử trong hai loại plasma trên có sự khác biệt lớn nên người ta còn gọi plasma nhiệt là plasma nóng và gọi plasma phi nhiệt là plasma lạnh. 1.1.3.2. Plasma tự nhiên và nhân tạo Trong vũ trụ, hầu hết vật chất đều ở dạng Plasma. Các nhà vật lý tính toán rằng: 99 % vật chất trong vũ trụ là ở trạng thái Plasma [1]. Đó là các vì sao, bao gồm cả Mặt Trời và chất khí giữa các vì sao. Các phản ứng nhiệt hạch xảy ra bên trong các vì sao chính là nguồn phát Plasma. Plasma trong vũ trụ rất khác nhau và thay đổi thể loại tùy theo nhiệt độ; ví dụ từ những ngôi sao rất nóng, có mật độ vật chất bên trong đậm đặc như Mặt Trời, tới hào quang Mặt Trời ít nóng hơn nhiều, tới loại nguội hơn nữa như gió Mặt trời, thậm chí tới những loại Plasma lạnh có mật độ thấp trong khoảng không giữa thiên hà... Những vật thể vũ trụ như Trái đất và bụi vũ trụ... chỉ chiếm gần 1 % khối lượng vũ trụ. Trái đất không ở trạng thái Plasma, nhưng cũng được Plasma bao bọc và bảo vệ. Những lớp trên cùng của khí quyển Trái đất luôn bị các tia chiếu xạ từ Mặt Trời và không gian tấn công và trở thành chất khí bị ion hóa - tức là Plasma. Chúng tạo thành tầng điện ly che chở vững chắc cho Trái đất, là bức tường ngăn cản các tia tử ngoại hủy hoại cơ thể sống có trong bức xạ Mặt Trời. Hình 1.4. Mặt trời có thành phần vật chất Hình 1.5. Bắc cực quang chủ yếu là Plasma Trái ngược với trong vũ trụ có tới 99 % vật chất tồn tại ở trạng thái plasma, vì nhiệt độ và áp suất khí quyển Trái đất thấp nên sự hình thành plasma khó khăn hơn nhiều dẫn tới có rất ít plasma tự nhiên gần Trái đất. Chỉ trong những điều kiện bất bình thường
8 mới thấy có plasma tự nhiên, tiêu biểu như tia sét trong những cơn giông bão, sét hòn và Bắc cực quang ở các nước phương bắc gần vành đai bắc cực. Hình 1.6. Sét hòn Hình 1.7. Tia sét Các nhà khoa học ước tính rằng, cứ mỗi giây trên khắp địa cầu lại có khoảng 100 tia sét từ các đám mây phóng xuống đất hoặc giữa các đám mây tích điện với nhau [1, 29]. Những thiên thạch và sao băng khi rơi xống Trái đất với một tốc độ rất lớn sẽ nén các thành phần của không khí thành mật độ rất cao và động năng đặc biệt lớn đó sẽ chuyển thành nhiệt năng khiến các phân tử khí bị chia cắt và bị ion hóa, tạo thành plasma. Nguyên nhân khiến plasma thiên nhiên không phổ biến trên Trái đất là do plasma thường được tạo thành ở nhiệt độ cao mà nhiệt độ ở Trái đất quá thấp để có thể hình thành plasma. Có thể tạo ra plasma nhân tạo trên bề mặt Trái đất, trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Trong một vài hoàn cảnh con người có thể đã tiếp xúc với plasma mà không phải ai cũng biết đó là plasma. Rất ít người chưa từng thấy loại plasma được tạo trong ống chân không yếu trong đèn neon, đèn huỳnh quang, hay loại ánh sáng chói lòa của hồ quang điện khi hàn. Đó là plasma được tạo ra để phục vụ đời sống con người và sản xuất. Mỗi chất khí thích hợp khi có dòng điện chạy qua có thể biến thành plasma, plasma này phát sáng và màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của chất khí đó. Plasma neon phát ra ánh sáng màu đỏ cam, plasma argon có màu xanh da trời [1]. Ta có thể nhận được ánh sáng có màu bất kỳ chỉ cần nhờ đến plasma argon, neon và thành phần vật chất phát quang thích hợp phủ bên trong ống đèn. Khi plasma hơi thủy ngân trong ống phóng điện cung cấp các tia tử ngoại thì các chất phát quang tùy theo thành phần của mình sẽ phát ra ánh sáng rất giống ánh sáng ban ngày. Ngoài ra, plasma còn
9 được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật như: plasma nắn thẳng dòng điện, plasma làm ổn định điện áp, plasma khuếch đại tần số siêu cao của máy phát sóng, máy đếm hạt vũ trụ. Hình 1.8. Tivi plasma Hình 1.9. Đèn huỳnh quang Bảng 1.2. Nhiệt độ và mật độ điện tử của một số loại plasma tự nhiên và nhân tạo. 1.1.3.3. Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu Căn cứ vào độ ion hóa người ta phân loại plasma ra làm hai loại là: plasma ion hóa hoàn toàn và plasma ion hóa ion hóa yếu (hay còn gọi là plasma ion hóa một phần).