Plazemsko okno – kaj je, kako deluje in praktične uporabe
Raziščite plazemsko okno: kaj je, kako deluje in praktične uporabe — od ustvarjanja vakuuma do prebojev v znanosti in industriji. Preberite več!
Plazemsko okno je polje plazme, ki zapolnjuje prostor. Podobno je kot polje sil. Območje se ustvari z uporabo magnetizma, ki drži plazmo na mestu. S sedanjo tehnologijo je to območje prostora precej majhno. Ima obliko ravne ploskve znotraj valja.
Z višanjem temperature se plazma debeli. Pri dovolj visoki temperaturi je plazma dovolj debela, da lahko ločimo vakuum od običajne atmosfere. Plazma ne preprečuje, da bi se skozi njo premikalo sevanje, kot so laserji. Zato lahko znanstveniki s plazemskim oknom ustvarijo območje vakuuma, skozi katerega se še vedno pretaka sevanje. To je potrebno, ker je mogoče nekatere vrste sevanja ustvariti le v vakuumu, znanstveniki pa morajo sevanje uporabiti za stvari, ki se nahajajo v običajnem ozračju.
Kako deluje plazemsko okno
Plazemsko okno nastane, ko se v tulcu ali odprtini ustvarja gosta, vroča plazma. Plazma je ionizirano stanje snovi (mešanica prostih elektronov in ionov) z visoko temperaturo in značilnimi električnimi lastnostmi. S pomočjo električnega toka ali RF (radijskofrekvenčnega) vžiga se vbrizgano plinasto sredstvo ionizira, nato pa magnetno polje in geometrija tulca zadržujeta plazmo v želeni obliki – običajno kot ravno ploskev, ki zapira odprtino.
Glavni mehanizmi, zaradi katerih plazemsko okno loči vakuum od atmosfere:
- Visoka temperatura in gostota plazme povzročita izrazite gradientne spremembe gostote in viskoznosti, zaradi česar plin ne teče enostavno skozi plazemsko ploskev.
- Magnetno in električno polje stabilizirata plazmo in preprečujeta hitro širjenje hladnega plina skozi odprtino.
- Plazma je za določene valovne dolžine sevanja relativno prosojna, zato lahko skozi okno prehajajo laserski žarki, elektronski žarki ali drugo elektromagnetno sevanje, medtem ko ostane tlak ločen.
Tehnične značilnosti
Plazemska okna zahtevajo visoke temperature (na tisoče do desetine tisoč kelvinov) in stalen dovod energije ter plina. Pogosto uporabljajo kombinacijo električnega toka in zunanjega magnetnega polja za oblikovanje in stabilizacijo plazme. Dimenzije so trenutno omejene zaradi potrebne moči, hlajenja in mehanskih zahtev – večja kot je odprtina, več energije in bolj zapletene stabilizacijske tehnike so potrebne.
Praktične uporabe
Plazemsko okno se uporablja predvsem tam, kjer je treba usmerjeno sevanje ali snop delcev, ustvarjen v vakuumu, uporabiti na predmetih v normalni atmosferi brez mehanske pregrade. Primeri uporabe:
- Industrijska obdelava materialov: elektronsko in ionsko žarčenje, varjenje z elektronskim snopom in površinska obdelava, kjer je potreben vakumski izvor v atmosferskih pogojih.
- Proizvodnja in preiskave tankih plasti ter nanostruktur: depozicija filmov, litografija in obdelava materialov z laserskimi ali elektronskimi žarki.
- Raziskave sevanja in fizike delcev: testiranje in uporaba rentgenskega, ultravijoličnega ali drugega sevanja, ki zahteva vir v vakuumu.
- Diagnostika v fuzijskih in plazemskih napravah: prenos merilnih snopov ali sevanja iz vakuumskih naprav v zunanji prostor.
Prednosti in omejitve
Prednosti: omogoča neposredno uporabo vakumskih virov sevanja v atmosferskih pogojih, odstrani potrebo po mehanski optični pregradi ali kompleksnih priključkih in lahko izboljša učinkovitost nekaterih industrijskih procesov.
Omejitve: potreba po znatni energiji in hlajenju, omejena dimenzija odprtine, kompleksna elektronika in magnetni sistemi za stabilizacijo, obraba elektrod ali komponent ter stroški vzdrževanja. Poleg tega plazma lahko nekoliko razprši ali modulira prehajajoče snopove, kar je treba upoštevati pri natančnih aplikacijah.
Zgodovina in razvoj
Koncept plazemskega okna se je razvil v raziskovalnih laboratorijih v drugi polovici 20. stoletja. V zadnjih desetletjih so raziskave pokazale praktičnost in omejitve tehnologije ter privedle do različnih izvedb (stalno delujoča, pulzna, manjše ali večje odprtine). Razvoj poteka naprej z namenom povečanja učinkovitosti, znižanja porabe energije in izboljšanja stabilnosti za širšo industrijsko uporabo.
Prihodnost
Plazemsko okno ima potencial za širšo uporabo, če se uspe znižati energetske zahteve in povečati življenjsko dobo komponent. Potencialni razvoj vključuje pulzne načine delovanja, boljše magnetne konfiguracije in materiale, ki zmanjšujejo obrabo. Čeprav trenutno ni masovno razširjeno zaradi stroškov in kompleksnosti, ostaja pomembno orodje v raziskavah in specializirani industriji.
Zgodovina
Plazemsko okno je v Brookhavenskem nacionalnem laboratoriju ustvaril Ady Hershcovitch. Patentirano je bilo leta 1995. Med drugimi izdelki, ki uporabljajo isto idejo kot plazemsko okno, je tudi plazemski ventil.
Plazemski ventil
Plazemski ventil je povezan s plazemskim oknom. Nastal je leto dni po plazemskem oknu. Plazemski ventil je plast plina v posebni lupini. Obroč okoli lupine vzdržuje vakuum. Prekinitev obroča je lahko zelo slaba, vendar tehnologija znanstvenikom omogoča, da napravo pravočasno izklopijo, preden se kaj zgodi.
Lastnosti
Plazemsko okno običajno nastane pri temperaturi 15.000 kelvinov. Edina omejitev za velikost okna je količina energije, ki je potrebna za njegovo izdelavo. Okno potrebuje 20 kW energije za vsak centimeter velikosti.
Plazemska okna se svetijo v različnih barvah, odvisno od plina, ki se uporablja za ustvarjanje plazme.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je plazemsko okno?
O: Plazemsko okno je polje plazme, ki zapolnjuje prostor, ustvarjen z uporabo magnetizma, ki drži plazmo na mestu.
V: Kako nastane prostor v plazemskem oknu?
O: Prostor v plazemskem oknu se ustvari z uporabo magnetizma, ki drži plazmo na mestu.
V: Kako debela lahko postane plazma, ko se poveča njena temperatura?
O: Plazma lahko postane debelejša, ko se poveča njena temperatura.
V: Kakšna je oblika prostora v plazemskem oknu?
O: Prostor v plazemskem oknu ima obliko ravne ploskve znotraj valja.
V: Ali se lahko sevanje, kot so laserji, premika skozi plazemsko okno?
O: Da, sevanje, kot so laserji, se lahko premika skozi plazemsko okno.
V: Zakaj znanstveniki potrebujejo plazemsko okno?
O: Znanstveniki potrebujejo plazemsko okno, da ustvarijo območje vakuuma, hkrati pa omogočijo, da se skozi to območje premika sevanje, saj se določene vrste sevanja lahko ustvarijo le v vakuumu, vendar jih je treba uporabiti za stvari, ki se nahajajo v običajnem ozračju.
V: Ali plazma preprečuje, da bi sevanje prehajalo skozi njo?
O: Plazma ne preprečuje gibanja sevanja, kot so laserji, skozi njo.
Iskati