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Plasma (Physik)

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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

Vorkommen

Natürliches Vorkommen von Plasma

Man beachte, dass über 99% aller Materie des Universums als Plasma vorliegt.

Künstlich erzeugte Plasmen

Eigenschaften von Plasmen

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.

Klassifizierung von Plasmen

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:

Druck eines Plasmas

Es kann unterschieden werden zwischen

Normaldruckplasmen werden ungefähr bei atomsphärischem Druck erzeugt. Eine typische Anwendung sind die elektrisch behinderten Entladungen, die beispielsweise bei der Bearbeitung von Kunstoffbahnmaterialien eingesetzt werden.

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.

Thermisches Gleichgewicht

Ein wichtiges Merkmal eines Plasmas ist, inwieweit es sich im thermischen Gleichgewicht befindet:

  • im vollständigen thermischen Gleichgewicht haben die Schwerteilchen (Moleküle, Atome, Ionen) die gleiche Temperatur wie die davon abgelösten Elektronen, das Plasma befindet sich auch im Strahlungsgleichgewicht mit der Umgebung, das heißt es emittiert Hohlraumstrahlung.
  • im lokalen thermischen Gleichgewicht haben nur die Schwerteilchen (Moleküle, Atome, Ionen) die gleiche Temperatur wie die davon abgelösten Elektronen, es werden aber charkteristische Spektrallinien anstatt Hohlraumstrahlung emittiert, die Strahlungstemperatur der Umgebung ist niedriger (oder höher, dann wird mehr Strahlung absorbiert) als die Plasmatemperatur.
  • bei nicht-thermischen Plasmen dagegen haben die Elektronen eine viel höhere Temperatur als die Schwerteilchen. Niederdruckplasmen verfügen typischerweise über diese Eigenschaft.

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

Der Grad der Ionisierung des Plasmas ist eine weitere charakteristische Eigenschaft.

  • Der Ionisierungsgrad gibt den Anteil der Gasatome an, die durch Ionisation Elektronen abgegeben haben.
  • Thermische Plasmen mit hoher Temperatur (beispielsweise Sonnenkorona) sind vollständig ionisiert.
  • Bei technisch hergestellten Niederdruckplasmen dagegen liegt der Grad der Ionisierung maximal bei wenigen Prozent.


(Technische) Erzeugung von Plasmen

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.

Verschiedene Anregungsprinzipien also Methoden der Energiezufuhr können genutzt werden, um ein Gas in den Plasmazustand zu überführen:

Anregung durch Gleichspannung

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.

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

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.

Kapazitive Anregung

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.

Induktive (elektrodenlose) Anregung

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.

Anregung durch Mikrowellen

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

Anregung durch Laserstrahlung

Prinzipiell können Plasmen auch durch Fokussierung von Laserstrahlung erzeugt werden.

Literatur

  • R.J. Goldston, P.H. Rutherford Plasmaphysik. Eine Einführung Vieweg, Braunschweig 1998
  • K.-H. Spatschek Theoretische Plasmaphysik. Eine Einführung. Teubner, Stuttgart 1990
  • F.F, Chen Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Plenum Press, New York 1983
  • S. Chandrasekhar Plasma Physics, Univ of Chicago Press 1960
  • F. Cap Einführung in die Plasmaphysik I. Theoretische Grundlagen. Vieweg, Wiesbaden 1984
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