شناخت غلاف های پلاسما (plasma sheath) و نقش آنها در صنعت هسته ای و دیگر صنایع

محقق : آقای حامد مرادی (ارشد مهندسی پلاسما)

پلاسما را جهت بررسی های علمی در آزمایشگاه ها میتوان با محبوس کردن گاز در فضای بسته به وجود آورد نظر به اینکه پلاسما در محیط محبوس تشکیل میشود در ارتباط با دیواره های این محیط بسته قرار می گیرد در اثر وجود دیواره ها یکی از پدیده های ایجاد شده غلاف پلاسمایی است يکي از پارامترهای اساسی پلاسما که آن را از گازهاي معمولي متمايز مي سازد، توانایی و امکان ايجاد حفاظ در مقابل پتانسيل هاي الکتريکي است. در محدوده اي از پلاسما که به علت حضور بار خالص در آن، پتانسيلي ايجاد شود، ذرات با بار مخالف در آن ناحيه به شکلی آرايش مي يابند که اثر پتانسيل مورد نظر را خنثي کنند نقطه ای که انرژي ذرات موجود در آن نقطه با انرژي الکترواستاتيک ايجاد شده برابر شود، ذرات مي توانند از چاه پتانسيل فرار کنند. فلذا، گستردگي ابر حفاظ تا قسمتی از فضا خواهد بود که در آن انرژي جنبشي ذرات با انرژي پتانسيل الکترواستاتيک در آن نقطه برابر باشد. طول این ناحیه گستردگی را طول دبای می نامند.

به عبارتی میتوان گفت غلاف پلاسما لايه اي در پلاسما است که در آن چگالي بارهاي مثبت بيشتر از چگالي بارهاي منفي الکترونها بوده و بر خلاف محیط پلاسما، خاصيت شبه خنثايي را ندارد.

علت تشکیل غلاف پلاسما به اين دليل است که وقتي الکترونها و يونها به ديوار برخورد ميکنند، الکترونها دارای دمای بیشتر و جرم کمتر در مقایسه با یون ها هستند، در نتيجه سريعتر از يونها حرکت کرده و به ديوار ميرسند  این عامل سبب ایجاد پتانسیل منفی در طول ناحیه ی غلاف میشود که برابر با چندطول دبای است اين پتانسيل منفي، الکترونها را دفع و يونها را جذب ميکند. با افزايش پتانسيل، در نهایت شار الکترون و یون برابر شده و تعادل برقرار میشود.

پلاسما را در تماس با دیواره ها میتوان به سه قسمت پلاسما،پیش غلاف و غلاف تقسیم بندی کرد در ناحیه ی پیش غلاف چگالی الکترون ها و یون ها با نسبت ثابتی کاهش پیدا میکند. پتانسیل منفی در ناحیه ی غلاف سبب میشود یون ها به سمت ناحیه غلاف کشیده شوند. یون ها از ناحیه  پیش غلاف با سرعت بیشتری وارد ناحیه ی غلاف شوند در واقع جاذبه پتانسیل منفی در ناحیه  غلاف باعث این عمل میشود که یون ها سرعت بیشتری به خود گیرند این سرعت تعریبا معادل با سرعت صوت است و آن را سرعت بوهم می نامند.در واقع یون ها در ورود به ناحیه ی غلاف دارای سرعت بوهم هستند.

کاربردهای غلاف پلاسما :

غلاف های پلاسما دارای کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف هستند از جمله میتوان به راکتورهای هسته ای توکامک اشاره کرد در اثر واکنش بین یون های موجود در غلاف با دیواره ممکن است مواد موجود در دیواره به عنوان ناخالصی وارد جریان پلاسما شوند و ناخالصی ها ممکن است برای جریان پلاسما در راکتور توکامک خطرناک باشد و منجر به آلودگی جریان پلاسما شود و در نهایت تشعشعات حاصل از آن سبب آسیب های پزشکی شود پس نوع دیواره عامل تعیین کننده از دو جهت تولید انرژی و جنبه ملاحضات ایمنی است در نتیجه شناخت غلاف پلاسما جهت بکارگیری مصالح و مواد قوی برای دیواره های راکتور بسیار حیاتی است.

از دیگر کاربردهای غلاف پلاسمایی میتوان به نقش آنها در صنعت اشاره کرد پلاسما به دلیل تولید گونه های با انرژی بالا در مقایسه با راکتورهای شیمیایی امکان انجام پردازش مواد بر روی سطوح را  با هزینه های پایین تر میسر میکنند.

پروب لانگمویر که از آن برای اندازه گیری خصوصیات پلاسما همانند دمای الکترونی، چگالی و سایر موارد استفاده میگردد اطراف نوک آن نیز غلاف تشکیل میگردد.

در صنایع هوا و فضا نیز موشک ها و هواپیماها توسط غلاف پلاسمایی احاطه شده اند فلذا شناخت غلاف های پلاسما نقش بسزایی در کنترل و هدایت موارد مذکور دارد.

منبع :

Principles of Plasma Discharges and Materials Processing

Author: Michael A. Lieberman