Plasma (Physik)
Unter Plasma versteht man in der Physik ein (teilweise) ionisiertes Gas, in dem sich zu nennenswertem Anteil freie Ladungsträger wie Ionen, Atomrümpfe oder Elektronen befinden. Es wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet.
Es gibt noch weitere Anwendungen des Begriffs Plasma außerhalb der Plasmaphysik.
Siehe auch: Magnetohydrodynamik
Plasmen können aus einer Vielzahl verschiedenartiger Spezies bestehen. Allen Plasmen gemeinsam ist jedoch, dass Elektronen, Ionen, angeregte molekulare Spezies und Neutralteilchen nebeneinander auftreten.
Aufgrund der hohen spezifischen Reaktivität wechselwirken die einzelnen Plasmabestandteile ständig miteinander. Mikroskopisch gesehen ändert sich daher die Zusammensetzung des Plasmas permanent.
Während mikroskopisch gesehen im Plasma keine Ladungsneutraliät herrscht, ist dies makroskopisch näherungsweise der Fall.
In guter Näherung entspricht die Teilchendichte aller positiven Ladungsträger der der negativen Spezies. Dies gilt jedoch nicht für die Randschichten von technischen Plasmen, also den Übergangsbereich zu einer begrenzenden Wand.
Wegen ihrer geringen Masse spielen Elektronen im Plasma eine besonders wichtige Rolle. Die geringe Elektronenmasse bedingt, dass die Elektronen durch das Einkoppeln elektrischer Felder zur Energiezufuhr und damit zur Aufrechterhaltung des Plasmas eingesetzt werden können.
Wie erzeugt man ein Plasma? Technisch stellt sich das Problem, dass jede Art von Umgebung wesentlich kälter ist, als das zu erzeugende Plasma. Dadurch kommt es zu massivem Abfluss von Energie aus dem Plasma an die Umgebung. Diese Energie muss dem Plasma von außen zugeführt werden, verschiedene Konzepte der Heizung kommen dafür in Frage (siehe unten).
Eine hohe Konzentration chemisch reaktiver Spezies, erlaubt es grundsätzlich auch, Plasmen für chemische Umsetzungen einzusetzen. In der Tat gab es in der Vergangenheit Versuche plasmachemische Verfahren industriell einzusetzten. Die komplexe Plasmazusammensetzung macht derartige Umsetzungen jedoch sehr aufwändig und wenig effizient. Plasmachemische Verfahren werden deshalb heute in der chemischen Synthese praktisch nicht mehr eingesetzt.
In großem Umfang wird Plasmachemie weiterhin in der Halbleiterindustrie betrieben. Hier werden Plasmen zum (Trocken)-Ätzen und zur Schichtabscheidung PECVD verwendet. Auch diese Prozesse leiden unter den schon oben geschilderten Nachteilen plasmachemischer Prozesse. Ganz besonders nachteilig ist hier, dass die Plasmaanregung unspezifisch ist. Verunreinigungen die sich im Prozessgas befinden werden durch die Plamsaanregung ebenfalls aktiviert und können den Halbleiterherstellung sehr nachhaltig beeinflussen.Weiterhin muss
das Verfahren jeweils individuell auf die verwendete Produktionsanlage eingestellt werden. Bereits kleine Veränderungen im Anlagenaufbau, Veränderung von Temperatur und Druck verursachen, führen dazu, dass sich die Prozessbedingungen fundamental verändern. Darüber hinaus ist zu beachten, dass Plasmaprozesse mit den verwendeten Einsatzstoffen nur unzureichend nutzen. Einerseits ist die Plasmaerzeugung grundsätzlich recht uneffektiv (wenige Prozent!), andererseits geht der überweigende Teil der erzeugten Reaktivteilchen durch Nebenreaktionen verloren. Ein großer Teil der - zum Teil ökologisch problematischen und sehr stabilen - Einsatzstoffe verlässt den Plasmareaktor daher unverändert.
In der Natur vorkommende Plasmen variieren in ihrer Dichte um mehr als
10 Größenordnungen. Extrem hohe Dichte besitzt das Plasma im Sonneninneren, extrem niedrige Dichte herrscht in interstellaren Gasnebeln. Entsprechend extrem sind die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von Plasmen.
Eine Klassifizierung kann anhand verschiedener Kriterien vorgenommen werden. Beispiele wären:
Es kann unterschieden werden zwischen
Ein weiteres Beispiel sind Lichtbögen, wie sie beim elektrischen Schweißen entstehen.
Niederdruckplasmen werden in verdünnten Gasen erzeugt, deren Druck signifikant niedriger liegt, als Atmosphärendruck.
Bei Hochdruckplasmen ist der Druck des Gases signifikant höher als der Atmosphärendruck.
Ein typisches Beispiel wären sogennante Hochdrucklampen.
Ein wichtiges Merkmal eines Plasmas ist, inwieweit es sich im thermischen Gleichgewicht befindet:
Der Grad der Ionisierung des Plasmas ist eine weitere charakteristische Eigenschaft.
Technische Plasmen können nur durch äußere Energiezufuhr am Leben erhalten
werden. Bleibt die Energieeinkopplung (elektromagnetische Felder, Laserstrahlung) aus, so verlischt das Plasma, das heißt die positiven und negativen
Ladungsträger rekombinieren zu neutralen Atomen, Molekülen oder Radikalen.
Zwischen zwei Elektroden wird eine ausreichend hohe elektrische Spannung angelegt.
Bei geeigneter Kombination von Spannung, Elektrodenabstand und Gasdruck kommt es zu einer Entladung zwischen den Elektroden. Dabei wird unterschieden zwischen Gasentladung auch Funkenentladung genannt und Vakuumfunken Die Höhe der nötigen Spannung hängt vom Elektrodenabstand und dem Gasdruck ab. Schließlich kommt es zum Überschlag eines Funkens
und zwischen den Elektroden bildet sich ein Plasma aus.
Durch hohen Stromfluss aus einer Kondensatorbatterie durch einen dünnen Metalldraht verdampft dieser explosionsartig (in einigen µs). Dadurch wird der Stromfluss unterbrochen und durch Induktivitäten im Entladungskreis entsteht eine Spannungsspitze, die zum Funkenüberschlag und infolgedessen zur Ionisierung des Metalldampfs führt. Um die rasche Ausdehnung des Plasmas zu verhindern, findet die Drahtexplosion in einem nichtleitenden Röhrchen statt, daher spricht man auch von einer Kapillarentladung.
Ein ausreichend starkes elektromagnetisches Wechselfeld wird an zwei Kondensatorplatten
angelegt. Zwischen den Platten bildet sich ein Plasma, in welchem alle geladenen Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes hin und her oszillieren.
Ein Wechselstrom durch eine Anregungsspule geleitet und induziert im Gas elektrisches Feld, was wiederum die Heizung der Ladungsträger bewirkt. Da die induzierten Feldlinien
ringförmig geschlossen sind, erfolgt kein direkter Beschuss von dem
Plasma ausgesetzen Elektroden.
Durch eine geeignete Hohlleitergeometrie wird Mikrowellenstrahlung
in den Reaktionsraum geleitet. In praktischen Anwendungen wie beispielsweise der
Diamantsysthese wird die Strahlung gebündelt und erzeugt eine
heiße Plasmazone
Prinzipiell können Plasmen auch durch Fokussierung von Laserstrahlung erzeugt werden.
Vorkommen
Natürliches Vorkommen von Plasma
Man beachte, dass über 99% aller sichtbaren Materie des Universums als Plasma vorliegt.Künstlich erzeugte Plasmen
Eigenschaften von Plasmen
Klassifizierung von Plasmen
Druck eines Plasmas
Normaldruckplasmen werden ungefähr bei atomsphärischem Druck erzeugt.
Eine typische Anwendung sind die elektrisch behinderten Entladungen, die
beispielsweise bei der Bearbeitung von Kunstoffbahnmaterialien eingesetzt werden.Thermisches Gleichgewicht
Bei entsprechender äußerer Anregung können die Elektronen kinetische Energien in der Größenordnung mehrerer Elektronenvolt aufnehmen, was mehreren 10000 Grad entspricht. Die Temperatur des Gases kann gleichzeitig wesentlich niedriger, beispielsweise bei Raumtemperatur liegen.
Mit derartigen Plasmen können Werkstücke bearbeitet werden (Beschichtung, Plasmaätzen), ohne diese übermäßig zu erhitzen.Ionisierungsgrad
(Technische) Erzeugung von Plasmen
Verschiedene Anregungsprinzipien also Methoden der Energiezufuhr können genutzt werden, um ein Gas in den Plasmazustand zu überführen:Anregung durch Gleichspannung
Pincheffekt
Wenn der Generator einer Funkenentladung hohe Ströme im Bereich größer einige 10 kiloampere ermöglicht, kann es vorkommen, daß das Magnetfeld des Stromes das Plasma zusammendrückt. Dabei wird das Plasma dichter und heißer. Mit diesem sogenannten "Pincheffekt" können sehr dichte, heiße und sehr hochioisierte Plasmen erzeugt werden, in denen Fusionsprozesse ablaufen oder die Röntgenstrahlung emittieren. Drahtexplosion
Kapazitive Anregung
Induktive (elektrodenlose) Anregung
Anregung durch Mikrowellen
Anregung durch Laserstrahlung
Weblinks
Literatur