Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 17. května, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2004

Plazmové technologie

Pavel Břichnáč

V posledních desetiletích se do výzkumu v oblasti fyziky plazmatu investují nemalé částky. Jednou ze snah je ovládnutí technologie termonukleární fúze – technologie na výrobu elektrické energie s minimálními náklady a vysokou účinností. Při základním výzkumu se během desetiletí přišlo buď náhodou nebo cíleně na další aplikace, kde je možné plazma využít. Jedná se například o  dlouho známé výbojky, napařování (nanášení tenkých vrstev), nanášení velmi tvrdých vrstev, plazmové zobrazovače, plazmové motory, plazmové řezání a sváření, ale i likvidace kontaminované zeminy či plazmové zbraně.

Plazma - jedná se o kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a  magnetická pole jako celek. Tokamak (TOroidnaja KAmera a MAgnetnyje Katuški) - jedná se o obří transformátor, v jehož sekundárním vinutí je magnetickým polem držen velmi horký ionizovaný plyn – plazma. Sekundární vinutí má tvar toroidální trubice. PDP (Plasma Display Panel) - je to zobrazovací jednotka pracující na principu elektrického výboje za sníženého tlaku (60÷70) kPa. CRT (Catode Ray Tube) - klasická katodová obrazovka, ve které vzniká obraz tak, že z elektronového děla, umístěného v zadní části monitoru, je vystřelován proud elektronů. Ten je vychylován elektromagnety a dopadá na luminofor na stínítku. Jednotlivé elektrony v atomech luminoforu po vybuzení opět "padají" zpět na své energetické hladiny a uvolní foton o specifické vlnové délce. Tím se rozsvítí červený, zelený či modrý bod. Jejich namícháním pak vzniká barevný obraz. Luminofor - světélkující látka, která po excitaci vyzařuje kvanta energie (fotony) po přechodu z energeticky vyššího stavu do stavu s nižší energií. Například jednotlivé barevné buňky na vnitřní straně stínítka vašeho monitoru. Specifický impuls - poměr tahu raketového motoru k množství použitého paliva.

Tokamak

Tokamak je jedno ze zařízení, které má uskutečnit termojadernou syntézu (spojování atomových jader). Princip je jednoduchý: ze dvou lehčích jader vznikne při fúzi jádro těžší a uvolní se energie. Jen pro představu, následující reakce má výtěžek 98 000 kWh·g⁻¹

D+T → He 4  (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)

Výhoda oproti štěpné reakci je zřejmá. Vyšší energetický výtěžek (štěpení U 235 má zisk 24 000 kWh·g⁻¹) a minimální ekologická zátěž.  Jelikož o tokamacích byly v nedávné době napsány dva články, nerad bych zabíhal do podrobností. Více o termojaderné fúzi se dočtete v  Bulletinu 18 (2003) a o projektu ITER (stavba velkého tokamaku) v Bulletinu 39 (2003).

Naprašování vrstev

Jak docílit nanesení velmi tenké vrstvičky určitého materiálu například na optický člen? Odpověď přinesla technologie nanášení či naprašování tenkých vrstev. Při klasickém naprašování je vzorek, který má být opatřen danou vrstvičkou, umístěn do komory se sníženým pracovním tlakem řádu jednotek Pascalů a je připojen na záporný potenciál řádu tisíců voltů. Přes jehlový ventil se do komory připouští plyn (nejčastěji argon). Před terčíkem s naprašovaným materiálem se zažehne doutnavý výboj, přičemž kladné ionty bombardují záporný terč a záporné se usazují na uzemněnou kostru. Těžké ionty svým dopadem rozprašují terč a usazují se na vnitřních površích. Pro lepší homogenitu se často naprašovanými předměty uvnitř komory pohybuje.

Vylepšení výše zmíněné technologie přineslo použití magnetu. Elektrony unikající z terče se magnetickým polem drží v jeho blízkosti a tím se výrazně zkracuje doba pobytu v blízkosti terčíku a zvyšuje se stupeň ionizace. Díky tomu je možné snížit pracovní tlak (řádově desetiny Pascalů) a zvýšit tím čistotu naprašované vrstvy. Jestliže přes jehlový ventil budeme připouštět jiné než inertní plyny (kyslík, dusík), můžeme vytvářet vrstvičky oxidů či nitridů a ty jsou velmi tvrdé a odolné.

Plazmové zobrazovače

S rozvojem digitální techniky se začala masově prosazovat i prezentační technika. Právě plazmové zobrazovače (PDP – Plasma Display Panel) přináší do této oblasti mnohé výhody. Pojďme si o nich říci něco blíže.

Již od 60. let se intenzivně vyvíjejí panely, které by umožňovaly velkoplošné projekce s ohledem na nedostatek místa. První použitelné exempláře opustily výrobní linky v 90. letech a koncem minulého tisíciletí se začaly úspěšně prodávat. Vzhledem k unikátním technickým parametrům plazmových displejů je každá firma dodávajícími na trh spotřební elektroniku řadí mezi špičku svého sortimentu, proto jsou v současnosti k dostání již desítky modelů nejrůznějších typů.

Plazmový displej je zobrazovací jednotka pracující na principu elektrického výboje v plynu za sníženého tlaku (cca 60÷70 kPa). Mezi přední skleněnou deskou a zadní stěnou přístroje jsou umístěny jednotlivé obrazové buňky. Před každou buňkou je vrstvička oxidu hořečnatého oddělující buňku od dvou elektrod (obrazové a podpůrné elektrody). Ty jsou od přední skleněné desky odděleny dielektrikem. Trojice buněk opatřených luminofory RGB (červené, zelené a modré barvy) tvoří jeden pixel. Buňky jsou od zadní desky odděleny opět skleněnou vrstvou. Pro každou obrazovou buňku je zapotřebí jedna datová elektroda. Ty jsou uloženy kolmo na obrazové elektrody.

Složení plazmového panelu.

Magneto-plazmové motory

V magneto-plazmovém raketovém motoru je hnací látkou neutrální plyn (vodík, helium nebo vzácné plyny). Ten se vstřikuje do první magnetické komory, kde je vysokofrekvenčním magnetickým polem ionizován do stavu vysokoteplotního plazmatu. Magnetické pole je vytvářenou helikální anténou umístěnou kolem komory. Magnetické pole udržuje zahřátý plyn odděleně od stěn, tím jsou ulehčeny požadavky na odolnost materiálu komory. V druhé magnetické komoře dochází k dalšímu zahřívání plazmatu, tentokráte mikrovlnným zářením. Tepelná energie se ve výtokové magnetické trysce přeměňuje na kinetickou. Vhodným deformováním magnetického pole v okolí trysky lze dosáhnout vhodného specifického impulsu a tím měnit rychlost v různých fázích letu. Pokud se na výstupu z trysky magnetické siločáry prudce zakřiví, hmotnější kladně nabité ionty s vysokou kinetickou energií nemohou díky setrvačnosti již magnetické siločáry sledovat, odtrhnou se od magnetického pole a  vytékají do prostoru s vysokým specifickým impulsem. Oblak lehčích elektronů je sice sleduje v důsledku Coulombovy interakce, ale k jejich úniku z magnetického pole dochází obtížněji a nadto mohou na výstupu z trysky způsobit deformaci magnetického pole. Tyto a další technické problémy bude třeba ještě detailněji řešit. Je též možné ochladit plazma vstřikem chladného neutrálního plynu, čímž dojde k jeho rekombinaci a z trysky pak proudí chladnější plyn s nižším specifickým impulsem.

Plazmové motory nedosahují takového tahu jako chemické motory. Plazmový motor ale působí po velmi dlouhou dobu a kosmická loď může získat značnou rychlost. Plazmový motor je také vhodný k jemným korekcím dráhy.

Vědci z Johnsonova kosmického střediska v Houstonu pod vedením astronauta NASA Dr. F. Changa Diaze doufají, že by díky této technologii bylo možné zkrátit dobu letu k Marsu na 115 dní. Pro provoz by bylo nutné zabezpečit přísun energie ve výši 10 MW. Na to již používané solární panely nestačí, a proto by bylo nutné napájet motor nukleárním reaktorem.

První testy jedné z verzí plazmového motoru proběhly již v roce 1999 na americké sondě Deep Space 1. V tomto motoru byly urychlovány ionty xenonu, proto se nazývá iontový motor. Na rozdíl od chemického motoru, iontový motor urychluje raketu trvale. Ten, který je použit u DS1, má 10× větší specifický impuls než chemický motor. Motor používá dutou katodu k produkci elektronů. Ty se sráží s atomy Xe a ionizují je. Ionty Xe⁺ jsou urychlovány napětím 1 280 V a emitovány 30 cm velkou tryskou. Oddělený svazek elektronů je vstřikován do proudu iontů a vytváří neutrální proud plazmatu. Při příkonu 2,3 kW je dosaženo tahu 92 mN. Iontový motor má také evropská sonda Smart 1 z roku 2003.

Iontový motor na Deep Space 1.

Ostatní využití plazmatu

Plazma celkem neviditelně proniká do nejrůznějších odvětví lidského života a tak se nám doslova vtírá pod kůži. Asi nikdo si už nedovede představit to, že by neexistovaly zářivky. Přijdete do místnosti, stisknete vypínač a je světlo. Jen málokdo si uvědomuje, že stisknutím vypínače vytvořil v trubici výboj, který vybudil elektrony do "vyšších" energetických hladin a ty při svém sestupu emitují UV záření. To vyrazí z luminoforu, kterým je pokryt vnitřek trubice, záření, které pak vnímáme jako zářivkové světlo.

V posledních desetiletích se celkem dobře využívá plazmatu například při řezání. Princip spočívá v tom, že se mezi řezaným materiálem a tryskou po přivedení elektrického napětí vytvoří elektrický oblouk. Z trysky vylétává vysokou rychlostí velmi horký ionizovaný plyn, který je do trysky vháněn z tlakových lahví. Teplota plazmatu při úniku z trysky může dosahovat až 20 000 °C a rychlost až rychlosti zvuku. Tryska je chlazena kolující vodou a při některých procesech se dokonce řezaný materiál umisťuje pod vodu. Voda chrání trysku před roztečením, brání hluku a nepříjemnému dýmu. Složení plynu, který proudí do trysky a který je následně obloukem zahříván, se liší podle použití, ale nejčastěji se používají argon, dusík, vodík, kyslík a jejich směsi.

Schéma řezání plazmovou tryskou.

Obdobná technologie byla využita pro opačnou věc – tedy sváření. Opět se jedná o elektrický oblouk, který vznikne přivedením napětí mezi wolframovou elektrodu a svařovaný materiál. Tryska je měděná a opět ji chladí cirkulující voda. Proud plazmatu v tuto chvíli neřeže, ale vytváří jakousi stínící obálku. Možné je svářet materiály nejrůznějších vlastností a rozměrů. Proudy tekoucí obloukem se pak pohybují od 0.1 A pro sváření materiálů užších než 0.1 mm až po proudy 200 A, které dokáží svářet materiál tloušťky až 15 mm. Jako stínící plyn se používá opět směs argonu a vodíku.

Schéma sváření plazmatem.

Existuje řada dalších zařízení využívajících plazma, jde například o kolejnicové urychlovače plazmatu, ve kterých je plazma urychlováno vlastním magnetickým polem mezi dvěma elektrodami. Urychlené plazma před sebou může tlačit různé předměty, na tomto principu funguje například plazmové dělo, ve kterém plazma před sebou urychluje střelu. Jinou aplikací je napařování materiálu, který se z elektrod dostává do plazmatu na různé předměty umístěné u ústí urychlovače. Urychlovač může být také tvořen dvěma soustřednými válcovými elektrodami. Plazma pak tvoří prstenec mezi elektrodami, ten je opět urychlován vlastním magnetickým polem. Takové zařízení se nazývá koaxiální urychlovač plazmatu. Jakmile plazma opustí urychlovač, je stlačeno vlastním polem k ose urychlovače do útvaru o vysoké koncentraci a teplotě, tzv. plazmafokusu (žlutá oblast na obrázku). Plazmafokus je po tokamaku další alternativou pro uskutečnění termojaderné fúze.

Koaxiální urychlovač plazmatu a plazmafokus.

Odkazy