Gázkisülések fizikája


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 plazma típus

Néhány jellegzetes plazma típus

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
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

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.
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.

 

Töltéskicserélő folyamatok vizsgálatára lehetőséget adó kísérleti berendezés

 

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.


Komplex plazmák

Kapcsolattartó: Hartmann Péter,

Elektromosan töltött, erősen kölcsönható, poros plazma egyréteg gyors hűtése valósult meg, amely folyadék fázisból szilárd fázisba történő túlhűtést eredményezett. Gyors részecske video sebességméréssel vizsgálták a kristályszemcse növekedés folyamat részleteit két-dimenziós Yukawa rendszerekben. A folyamat kezdetén a rendeződés gyors, amely a részecskék lokális egyensúlyi helyeinek irányába történő ballisztikus mozgásának következménye. Ezt követően a formálódó kirstályszemcsék kollektív átrendeződése dominálj a kristálynövekedést, amely az előbbinél lassabb folyamat. Részecske szintű molekuladinamikai szimulációk segítségével tanulmányozták két-dimenziós dipólus, mágnesezett Yukawa, valamint három-dimenziós Yukawa rendszerket. Erős mágneses térben magas harmonikus Bernstein módusok jelentek meg a sík Yukawa rendszerek áramfluktuációs spektrumaiban, bár a frekvenciák a rendszerre jellemző erős korrelációk miatt eltolódtak. 

 

Komplex plazma kísérleti berendezés

Komplex (poros) plazma kísérleti berendezés az SZFKI-ban.


Elektromos gázkisülések biomedikai és nanotechnológiai célokra

Kapcsolattartó: Kutasi Kinga

A kémiailag aktív részecskéket tartalmazó kisülési plazmák számos területen találnak alkalmazásra, pl. a kémiailag aktív oxigén atomot tartalmazó kisülés alkalmas plazma alapú sterilizálásra (baktériumok inaktiválására és biológiai szennyeződéseknek: prionok, pirogének, felületekről való eltávolítására), fémoxid nanohuzalok előállítására, oxid vékonyrétegek leválasztására, polimerek funkcionalizáására, szerves szennyeződések eltávolí́tására, kompozitok szelektív maratására, fémek passziválására, felületek aktiválására és gyapjú kezelésére; a CH gyököket tartalmazó kisülések ugyanakkor alkalmasak biokompatibilis vékonyrétegek leválasztására. A lejátszódó folyamatok általában a kémialiag aktív részecskék és a plazmában jelenlévő ionok, illetve UV sugárzás együttes hatásának köszönhetőek, így az alkalmazásokban különböző gázkeverékű kisülések használandók. 

 

Reaktív gázokban keltett kisülések esetén, a kisülésben keletkezett kémiailag aktív részecskék kölcsönhatnak a gáztérbe helyezett elektródákkal és ennek következtében a kisülés működése instabillá válhat. Ezért az elektróda nélküli kisülések képezik az egyik legstabilabb, kémiailag aktív és sugárzó részecskéket nagy sűrűségben tartlamazó plazmaforrást. Az elektróda nélküli kisülések legújabb generációja a nagyfrekvenciás elektromágneses hullámmal keltett és felülethullámmal fentartott kisülések. Nem-ionizáló felülethullámal, amely a plazmaoszlop és az őt körülvevő dielektrikum határán terjed, hosszú plazmaoszlopot lehet létrehozni. Ilyen felülethullámmal keltett kisülések széles nyomástartományban működhetnek (ez egyik nagy előnyük a többi kisüléssel szemben),  alacsony 10-5 Torr gáznyomástól az atmoszférikus nyomás többszöröséig a kisülési cső átmérőjétől függően. Számos alkalmazás – különböző okokból kifolyólag, mint pl. túl magas gázhőmérséklet az aktív kisülési térrészben, vagy a kezelendő felületet roncsoló nagyenergiájú ionok jelenléte – nem az aktív kisülési térrészt, hanem az áramló utókisülést alkalmazza. Ha a kisülést áramló gázban hozzuk létre, a gázáram a plazmában keletkezett aktív részecskéket egy távoli reaktorba szállíthatja, amelynek jóval nagyobb méretei lehetnek mint a kisülésnek, pl. 60×30×28 cm3 a 6 mm átmérőjű és 10 cm hosszú csővel szemben. Alacsony nyomáson az alkalmazástól függően vagy a kisebb térfogatú közeli utókisülési térrészt, vagy a nagyobb térfogatú távoli utókisülési térrészt használhatjuk, melyeknek plazmaösszetétele különböző. Atmoszférikus nyomáson a kisülés folytatásaként kialakult plazmasugár alkalmazható.
Utókisülési elrendezés
Utókisülési elrendezés

 

Mivel minden alkalmazási folyamatban más-más részecskék, illetve részecske csoportok játszanak szerepet, a különböző alkalmazások különböző plazmaösszetételt igényelnek. A kisülések és azok utókisüléseinek különböző kisülési feltételek mellett történő részletes jellemzése lehetőséget ad arra, hogy az adott alkalmazáshoz ki tudjuk választani a legmegfelelőbb kisülési rendszert. A részecskesűrűségek ismerete a rendszer minden egyes poziciójában segít megérteni a különböző részecskék és folyamatok szerepét az egyes alkalmazásokban. Az elmúlt években olyan kisüléseket és kisülési rendszereket vizsgáltunk, meghatározva a részecskék eloszlását az egész rendszer mentén, amelyek alkalmasak plazma alapú sterilizálásra, felületek kezelésére és nanostrukturák kialakítására. Ezek az alkalmazások a kisülésben lévő N, O atomokat, Ar+ ionokat és UV fotonokat (Ar rezonáns állapotú atomoknak, illetve NO(A) és NO(B) molekuláknak köszönhetően) hasznosítják.

1. C. D. Pintassilgo, K. Kutasi, J. Loureiro: Modelling of a low pressure N2-O2  discharge and post-discharge reactor for plasma sterilization, Plasma Sources Sci. and Technol 16 S115 (2007) [2.120] PDF dokumentum

2. K. Kutasi and J. Loureiro: Role of the wall reactor material on the species density distributions in an N2-O2 post-discharge for plasma sterilization, J.Phys.D : Appl. Phys. 40 5612 (2007) [2.2] PDF dokumentum

3. K. Kutasi, B. Saoudi, C. D. Pintassilgo, J. Loureiro, M. Moisan: “Modelling the low-pressure N2-O2 plasma afterglow to determine the kinetic mechanisms controlling the UV emission intensity and its spatial distribution for achieving an efficient sterilization process”, Plasma Processes and Polymers 5 840 (2008) [2.921] PDF dokumentum

4. K. Kutasi, C. D. Pintassilgo, J. Loureiro:” An overview of modelling of low-pressure post-discharge systems used for plasma sterilization”, 2nd Int. Workshop on Non-equilibrium Processes in Plasmas and Environmental Science, Journal of Physics: Conference Series 162 (2009) 012008 PDF dokumentum

5. V. Guerra, K. Kutasi, P. A. Sá “O2(a1 ∆g ) production in flowing Ar-O2 surface-wave microwave discharges: possible use for oxygen-iodine laser excitation” Applied Physics Letters 96 071503 (2010) [3.554] PDF dokumentum

6. K. Kutasi, V. Guerra, P Sá “Theoretical insight into Ar-O2 surface-wave microwave discharges” J. Phys. D: Appl. Phys. 43 175201 (2010) [2.083] PDF dokumentum

7. K. Kutasi, V. Guerra, P Sá “Active species downstream an Ar-O2 surface-wave microwave discharge for biomedicine, surface treatment and nanostructuring” Plasma Sources Sci. Technol 20 (2011) [2.384] PDF dokumentum

8. K. Kutasi “Composition of a plasma generated from N2 -O2 by an Ar ion jet in a low pressure reactor” J. Phys. D: Appl. Phys. 43 055201 (2010) [2.083] PDF dokumentum

9. K. Kutasi “Modelling of NO destruction in a low pressure reactor by an Ar plasma jet: species abundances in the reactor” J. Phys. D: Appl. Phys 44 105202 (2011) [2.083] PDF dokumentum


Elektrolitkatódos atmoszférikus nyomású ködfény kisülés (ELCAD)

Kapcsolattartó: Mezei Pál,

Az ipari és vegyi gyárak, a toxikus, nehézfémekkel (Zn,Cd,Cu,Ni,Pb) terhelt ipari vizeiket illegálisan, az ellenőrző laborok üzemidején kívül, tehát éjjel, munkaszüneti napokon, közvetlenül a városi csatornahálózatba ürítik. Így lehetetlenné teszik a biológiai tisztítást, a toxikus nehézfémtartalmú iszapot ráadásul a veszélyes hulladéktárolóba kell elhelyezni, ami rendkívül költséges, továbbá a toxikus nehézfémtartalmú szennyvíz a természetes vizekbe kerül. Megoldás, a csatornahálózatbeli, nyers, kezeletlen szennyvizek nehézfém tartalmának helyszíni, állandó, automatikus monitorszerű mérése.
Erre a célra a jól ismert laboratóriumi mérőkészülékek nem használhatóak, mert ezekbe a nyers, kezeletlen szennyvíz közvetlenül nem vezethető be, a helyszíni, felügyelet nélküli, folytonos mérések végzésére ezek a berendezések nem használhatóak.
Ma erre az egyedül alkalmas módszer az elektrolitkatódos, atmoszférikus nyomású ködfénykisülés (Electrolyte Cathode Atmospheric glow Discharge=ELCAD), amelyben a szennyvíz a katód. A kisülés által kibocsátott színkép tartalmazza a szennyvízben feloldott nehézfémek atomi vonalait, ezek intenzitását mérve a nehézfémek koncentrációja meghatározható. Az ELCAD készülék a helyszínre telepíthető, ott automatikusan, monitorként működik.
Az ELCAD-ot az Aqua-Concorde Kft nemzetközi szabadalmakkal védte le, több működő prototípust készített: Főv.Csat.Művek (1994-1996); W.R.Grace Co. Washington Research Center, Columbia MD, USA (2 db:1994, 1996); YOUIL Environmental Center Szöul, Korea (2000) részére.
Az ELCAD alapkutatásai az OTKA segítségével, az MTA SZFKI Lézerfizikai Osztályán folynak. Ennek fő célja a kisülés működési mechanizmusának megértése, a kisülés emittált spektrumában megjelenő, az oldatban feloldott fémek atomi vonalainak intenzitását meghatározó folyamatok megismerése.
Ehhez vizsgáltuk az elektrolitkatódból történő szekunderelektronok kilépését, a katódos áramsűrűség nyomásfüggését, az emittált atomi fémvonalak és a háttér intenzitását a nyomás, az oldat pH és a kisülési áram függvényében, a gáz és elektronhőmérsekletek kisülés tengelye menti eloszlásait,  a katódesést a nyomás és a katódos áramsűrűség függvényében, a katód sötéttér hosszát az áramsűrűség függvényében.
A katódporlás mechanizmusának tanulmányozásához 533 nm hullámhosszon működő (Nd:YAG első felharmonikus) lézerrel megvilágítottuk az ELCAD plazmát és a megvilágításra merőleges irányban a szórt fényt mértük CCD kamerával, különböző exponálási idők mellett. Így meg tudtuk figyelni, hogy az elektrolitkatódot vízmolekula-klaszterek hagyják el. Az elporlasztott víz tömegét a kisülési áram és az áramsűrűség függvényében vizsgáltuk.
Normális típusú ELCAD esetében, 80 mA kisülési áram, 0,5 A/cm2 katódos áramsűrűség mellett a katódporlás mértéke kb. 150 mg/perc. Az elporlasztott víz tömege a kisülési árammal csökkent.  Megfigyeltünk egy 20-40 mA értékű áramküszöböt is. Ennél kisebb áramokra a katódporlás leáll, a kisülés azonban továbbra is működik. Ez arra utal, hogy az elektronok még ilyen kis áramoknál is képesek kilépni az oldatkatódból.  Ez az áramküszöb egyezik azzal, amit az emittált atomi fémvonalak intenzitásánál már korábban megfigyeltünk.
Abnormális (kapilláris) típusú ELCAD esetében, 80 mA kisülési áram, 3,7 A/cm2 katódos áramsűrűség mellett a katódporlás mértéke 1500 mg/perc. Ugyanekkora kisülési áram és áramsűrűség esetén, egy rézkatód porlásának mértéke csak 0,5 mg/perc. Ez az adat is alátámasztja, hogy a normális és az abnormális ELCAD plazma telített vízgőzben működik.
Az elektrolitkatódú gázkisülés működési elve          Az ELCAD monitor rendszer

Az elektrolitkatódú gázkisülés működési elve és az ELCAD monitor rendszer.

Nd:YAG 533 nm lézerfény szóródása az ELCAD plazmán
Nd:YAG 533 nm lézerfény szóródása az ELCAD plazmán

Pályázatok:
OTKA K 68390 . Atomizációs folyamatok vizsgálata elektrolitkatódos atmoszférikus nyomású ködfény kisülésben (témavezető: Mezei Pál)

Közlemények:
Mezei P, Cserfalvi T, Hartmann P, Bencs L:  The effect of OH radicals on Cr-I spectral lines emitted by DC glow discharges  Spectrochimica Acta B 65, 218-224 (2010)