Elektromos gázkisülések
Kapcsolattartó: Donkó Zoltán
Míg a közvetlen környezetünket tekintve a plazmaállapot egzotikus anyagfajtának tűnik, az Univerzum látható anyagának túlnyomó része (becslések szerint több, mint 99%-a) plazmaállapotban van. A szigetelő állapotú gázok magas hőmérséklet, sugárzás, vagy energikus részecskék hatására ionizálódhatnak és ezáltal kerülhetnek plazmaállapotba, amelynek fő jellemzői a szabad töltéshordozók jelenléte és elektromos vezetőképesség. A természetben megtalálható plazmaállapotok a töltött részecskék sűrűségének és a részecskeenergiának (hőmérsékletnek) rendkívül széles skáláját fogják át. A "természetes" plazmák változatosságát tovább szélesítik a mesterséges úton előállítható plazmák. Az alábbi ábra néhány tipikus plazmafajtát tüntet fel a sűrűség-hőmérséklet síkon.
Néhány jellegzetes plazmatípus
A mesterségesen előállított plazmák legtöbb laboratóriumi és ipari alkalmazásában egyrészt a fénykibocsátást, illetve (lézerekben) a fényerősítés lehetőségét, másrészt a kisülésben előállított "aktív" részecskéket (pl. gerjesztett atomokat vagy molekulákat, ionokat, molekuláris gázok esetén keletkező szabad gyököket), valamint az elérhető magas hőmérsékletet használják ki.
Alacsony nyomású hélium gázban létrehozott plazma
Napjainkban az alacsonyhőmérsékletű (nem termikus) plazmákat széleskörűen alkalmazzák gázlézerekben, fénycsövekben és kisülési lámpákban, spektroszkópiai fényforrásokban, az integrált áramkörök gyártásának számos technológiai lépésében, valamint különböző anyagok felületi tulajdonságainak módosításánál (szuperkemény, vagy biokompatibilis felületek létrehozása). Az utóbbi években széles körben hozzáférhetővé vált számítástechnikai háttér komoly segítséget ad a plazmafizika nyitott kérdéseinek megválaszolásához. Numerikus módszerekkel és szimulációs eljárások alkalmazásával számos olyan jelenség kvantitatív kezelése vált lehetővé, amelyeket előzőleg csak kvalitatív módon sikerült megérteni. A matematikai leírási módszerek lényegében két fő csoportra oszthatók: az ú.n. folyadékleírás a plazmát folytonos közegként kezeli, míg az eljárások másik részében, a részecskeszimulációs módszerekben, a plazmát alkotó részecskék mozgását írjuk le. Ez utóbbi megközelítés általában igen számításigényes, ugyanakkor előnye, hogy első elvekre épül, többnyire minimális mértékű feltételezést, illetve egyszerűsítést tartalmaz, és kinetikus elmélet szerinti leírást biztosít. A részecskeszimulációs módszer alkalmazására az alábbi ábra mutat egy példát, egy elektronlavina (ionizációkkal történő elektronsokszorzódás) időbeli fejlődését. A szimulció az ú.n. Monte Carlo módszeren alapul, paraméterei: argon gáz 41.1 Pa nyomáson, 4 cm elektródatávolság, 200 V feszültség. A lavina egy, a katódból (ábrán bal oldali elektródából) kilépő elektron hatására indul meg.
Elektronlavina számítógépes szimulációja
A számítógépes szimulációk lehetőséget adnak bonyolultabb rendszerek, például rádiófrekvenciás feszültséggel gerjesztett gázkisülések önkonzisztens leírására is. Ilyen gázkisüléseket a fejlett ipari technológiákban (chip- és napelemgyártás) gyakran alkalmaznak felületek tulajdonságainak módoítására, maratásra, illetve vékonyrétegek leválasztására. A szimulációkkal a kiszülések számos jellemzője meghatórozható, térbeli és időbeli felbontással. A kísérletileg is mérhető jellemzőkkel való összehasonlítás alátámasztotta a modelljeink megbízhatóságát.
Rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülés szimulációjával kapott eredmények. A szimulációkhoz felépített számítógép klaszter részlete.
Rádiófrekvenciás gerjesztésű gázkisülés szimulációjával kapott eredmények.
A szimulációkhoz felépített számítógép klaszter részlete.
Egy további kutatási területünk az alacsonyhőmérsékletű plazmák elemi folyamatainak vizsgálata. Egy, az erre a célra felépített kísérleti berendezéssel vizsgáljuk a nemesgázionok és fématomok közötti töltéskicserélő folyamatokat. Ebben a reakcióban egy lépésben történik a gázionok töltésének átadása a fématomnak és a fématom gerjesztése.
A töltéskicserélő folyamatok vizsgálatára lehetőséget adó kísérleti berendezés felépítését az
EU FP6 GLADNET (MRTN CT 035459) projekt támogatta.
A fentiekkel kapcsolatos publikációk itt találhatók meg.
A fenti kutatások az OTKA, illetve nemzetközi együttműködések támogatásával folynak.
