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
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
(potenciáleloszlás, elektron- és ionsűrűség eloszlások, valamint az
elektronok fűtésének/hűtésének tér- és időbeli eloszlása).
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.
Komplex plazmák
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 (poros) plazma kísérleti berendezés az SZFI-ben.
Módosítva : 2013 március 3 [Donkó Zoltán]
