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NachrichtenLexikonProtokolleBücherForenSamstag, 21. Oktober 2017 

Plasma (Physik)


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Unter Plasma versteht man in der Physik ein (teilweise) ionisiertes Gas in dem sich zu nennenswertem Anteil Ladungsträger wie Ionen Atomrümpfe oder Elektronen befinden. Es wird auch als vierter bezeichnet.

Es gibt noch weitere Anwendungen des Plasma außerhalb der Plasmaphysik .

Inhaltsverzeichnis

Vorkommen

Natürliches Vorkommen von Plasma

Man beachte dass über 99% aller des Universums als Plasma vorliegt.

Künstlich erzeugte Plasmen

  • In der Beleuchtungstechnik in Leuchtstoffröhren ( Energiesparlampen ) Bogenlampen und allg. Gasentladungslampen .
  • In der Halbleitertechnik zum Plasmaätzen und zur plasmainduzierten Materialabscheidung (PECVD)
  • In der Werkstofftechnik zur Oberflächenmodifizierung durch Materialabscheidung (PECVD und Plasmapolymerisation) Oberflächenhärtung oder Plasmaoxidation
  • In der Analysentechnik zum Aufschließen von (Plasmaveraschung) und in Messgeräten zum Spurennachweis von (ICP ICP-MS)
  • In der Werkstoffverarbeitung beim Schweißen
  • In der Bildschirmtechnik im Plasmabildschirme
  • In der Energieforschung im Fusionsexperiment

Eigenschaften von Plasmen

Plasmen können aus einer Vielzahl verschiedenartiger bestehen. Allen Plasmen gemeinsam ist jedoch dass Ionen angeregte molekulare Spezies und Neutralteilchen nebeneinander Aufgrund der hohen spezifischen Reaktivität wechselwirken die Plasmabestandteile ständig miteinander. Mikroskopisch gesehen ändert sich die Zusammensetzung des Plasmas permanent.

Während mikroskopisch gesehen im Plasma keine herrscht ist dies makroskopisch näherungsweise der Fall. guter Näherung entspricht die Teilchendichte aller positiven der der negativen Spezies. Dies Gilt jedoch für die Randschichten von technischen Plasmane also Übergangsbereich zu einer begrenzenden Wand.

Wegen ihrer geringen Masse spielen Elektronen Plasma eine besonders wichtige Rolle. Die geringe bedingt dass die Elektronen durch das Einkoppeln Felder zur Energiezufuhr und damit zur Aufrechterhaltung Plasmas eingesetzt werden können.

Wie erzeugt man ein Plasma? Technisch sich das Problem dass jede Art von wesentlich kälter ist als das zu erzeugende Dadurch kommt es zu massivem Abfluss von aus dem Plasma an die Umgebung. Diese muss dem Plasma von aussen zugeführt werden Konzepte der Heizung kommen dafür in Frage

Eine hohe Konzentration chemisch reaktiver Spezies es grundsätzlich auch Plasmen für chemischen Umsetzungen In der Tat gab es in der Versuche plasmachemische Verfahren industriell einzusetzten. Die komplexe macht derartige der Umsetzung jedoch sehr aufwendig wenig effizient. Plasmachemische Verfahren werden deshalb heute der chemischen Synthese praktisch nicht mehr eingesetzt.

In großem Umfang wird Plasmachemie weiterhin der Halbleiterindustrie betrieben. Hier werden Plasmen zum und zur Schichtabscheidung PECVD verwendet. Auch diese leiden unter den schon oben geschilderten Nachteilen Prozesse. Ganz besoders nachteilig ist hier dass Plasmaanregung unspezifisch ist. Verunreinigungen die sich im befinden werden durch die Plamsaanregung ebenfalls aktiviert können den Halbleiterherstellung sehr nachhaltig beeinflussen.Weiterhin muss Verfahren jeweils individuell auf die verwendete Produktionsanlage werden. Bereits kleine Veränderungen im Anlagenaufbau Veränderung Temperatur und Druck verursachen führen dazu dass die Prozessbedingung fundamental verändern. Darüber hinaus ist beachten dass Plasmaprozesse mit den verwendeten Einsatzstoffen unzureichend nutzen. Einerseits ist die Plasmaerzeugung grundsätzlich uneffektiv (wenige Prozent!) andereseits geht der überweigende der erzeugten Reaktivteilchen durch Nebenreaktionen verloren. Ein Teil der - z.T. ökologisch problematischen und stabilen - Einsatzstoffe verläßt den Plasmareaktor daher

  

Klassifizierung von Plasmen

In der Natur vorkommende Plasmen variieren ihrer Dichte um mehr als 10 Größenordnungen. Extrem Dichte besitzt das Plasma im Sonneninneren extrem Dichte herrscht in interstellaren Gasnebeln. Entsprechend extrem die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von

Eine Klassifizierung kann anhand verschiedener Kriterien werden. Beispiele wären:

Dichte eines Plasmas

Es kann unterschieden werden zwischen

Normaldruckplasmen werden ungefähr bei atomsphärischem Druck erzeugt. Eine typische Anwendung sind dieelektrisch Entladungen die z.B. bei der Bearbeitung von eingesetzt werden.

Ein weiteres Beispiel sind Lichtbögen wie sie beim elektrischen Schweißen entstehen.

Niederdruckplasmen werden in verdünnten Gasen erzeugt deren signifikant niedriger liegt als Atmosphärendruck. Bei Hochdruckplasmen der Druck des Gases signifikant höher als Ein typisches Beispiel wären sogennante Hochdrucklampen.

Thermisches Gleichgewicht

Ein wichtiges Merkmal eines Plasmas ist es sich im thermischen Gleichgewicht befindet:

  • im thermischen Gleichgewicht haben die Schwerteilchen Moleküle Atome Ionen ) die gleiche Temperatur wie die davon abgelösten Elektronen .
  • bei nicht-thermischen Plasmen dagegen haben die eine viel größere Temperatur als die Schwerteilchen. Niederdruckplasmen verfügen typischerweise über diese Eigenschaft.

Bei entsprechender äusserer Anregung können die Elektronen kinetische Energien in der Grössenordnung mehrerer Elektronenvolt aufnehmen was mehreren 10000 Grad entspricht. Temperatur des Gases kann gleichzeitig wesentlich tiefer bei Raumtemperatur liegen. Mit derartigen Plasmen können bearbeitet werden (Beschichtung Plasmaätzen ) ohne diese übermässig zu erhitzen.

Ionisierungsgrad

Der Grad der Ionisierung des Plasmas ist eine weitere charakteristische

  • Der Ionisierungsgrad gibt den Anteil der an die durch Ionisation Elektronen abgegeben haben.

  • Thermische Plasmen mit hoher Temperatur (z.B. Sonnenkorona) sind vollständig ionisiert.

  • Bei technisch hergestellten Niederdruckplasmen dagegen liegt der Grad der Ionisierung bei wenigen Prozent.

(Technische) Erzeugung von Plasmen

Technische Plasmen können nur durch äussere am Leben gehalten werden. Bleibt die Energieeinkopplung Felder Laserstrahlung) aus so verlischt das Plasma die positiven und negativen Ladungsträger rekombinieren zu neutralen Atomen Molekülen oder Radikalen .

  
Verschiedene Anregungsprinzipien also Methoden der Energiezufuhr können genutzt werden um ein Gas den Plasmazustand zu überführen:

Anregung durch Gleichspannung

Zwischen zwei Elektroden wird eine ausreichend hohe elektrische Spannung angelegt. Die Höhe der nötigen Spannung vom Elektrodenabstand und dem Gasdruck ab. Schliesslich es zum Überschlag eines Funkens und zwischen den Elektroden bildet sich Plasma aus.

Kapazitive Anregung

Ein ausreichend starkes elektromagnetisches Wechselfeld wird an zwei Kondensatorplatten angelegt. Zwischen Platten bildet sich ein Plasma in welchem geladenen Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes und her oszillieren .

Induktive ( elektrodenlose ) Anregung

Ein Wechselstrom durch eine Anregungs spule geleitet und induziert im Gas elektrisches Feld was wiederum die Heizung der Ladungsträger Da die induzierten Feldlinien ringförmig geschlossen sind erfolgt kein direkter von dem Plasma ausgesetzen Elektroden .

Anregung durch Mikrowellen

Durch eine geeignete Hohlleitergeometrie wird Mikrowellenstrahlung in den Reaktionsraum geleitet. In praktischen wie z.B. der Diamantsysthese wird die Strahlung gebündelt und erzeugt eine heiße Plasmazone

Anregung durch Laserstrahlung

Prinzipiell können Plasmen auch durch Fokussierung Laserstrahlung erzeugt werden.

Weblinks

Literatur

  • R.J. Goldston P.H. Rutherford Plasmaphysik. Eine Vieweg Braunschweig 1998
  • K.-H. Spatschek Theoretische Plasmaphysik. Eine Einführung. Stuttgart 1990
  • F.F Chen Introduction to Plasma Physics Controlled Fusion Plenum Press New York 1983
  • S. Chandrasekhar Plasma Physics Univ of Press 1960
  • F. Cap Einführung in die Plasmaphysik Theoretische Grundlagen. Vieweg Wiesbaden 1984



Bücher zum Thema Plasma (Physik)

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