Równowagowe i spektroskopowe własności plazmy w sąsiedztwie katody łuku elektrycznego

Abstract

Plazma jest przewodzącym gazem składającym się z neutralnych i naładowanych cząstek, które decydują o jej fizycznych własnościach makroskopowych. W jej skład wchodzą fotony, molekuły, atomy, swobodne elektrony i różnego rodzaju jony dodatnie (oraz ujemne), przy czym wypadkowy ładunek elektryczny plazmy wynosi zero. Plazma może występować w bardzo szerokim zakresie energii kinetycznych cząstek: od ułamka eV do kilku MeV, a jej gęstość zawiera się w przedziale od 10(^26) cząstek/m3 do 10(^10) cząstek/m3. W wysokich temperaturach, rzędu kilku milionów kelwinów, plazma ulega całkowitej jonizacji i jest nazywana plazmą gorącą (wysokotemperaturową). W przypadku, gdy temperatura plazmy jest rzędu 10(^4) K, w jej składzie mogą występować atomy niezjonizowane - taką plazmę nazywamy niskotemperaturową. Plazma o temperaturze rzędu 10(^4) K i ciśnieniu bliskim atmosferycznemu jest nazywana plazmą termiczną. Plazma, często określana czwartym stanem materii, występuje powszechnie we Wszechświecie. Z plazmy gorącej zbudowane są wnętrza gwiazd, plazma o bardzo małej gęstości występuje w przestrzeni międzygwiazdowej. W Układzie Słonecznym plazma znajduje się nie tylko w Słońcu, ale występuje także jako tzw. wiatr słoneczny, wypełniając przestrzeń międzyplanetarną. Na Ziemi, w warunkach naturalnych, plazmę można obserwować ponad górnymi warstwami atmosfery, gdzie część wiatru słonecznego jest przechwytywana przez ziemskie pole magnetyczne tworząc tzw. pasy van Allena. Plazmę spotykamy także w zorzach polarnych. Przykładem naturalnej plazmy impulsowej są wyładowania atmosferyczne powstające w trakcie burz. W warunkach laboratoryjnych plazmę można wytworzyć, między innymi, w lampach fluorescencyjnych, łukach elektrycznych, rurach udarowych itd. Plazmę wysokotemperaturową (zwaną czasem plazmą termojądrową) wytwarza się m.in. w posiadających ogromne rozmiary instalacjach Tokomak. Plazma znajduje duże zastosowanie praktyczne, szczególnie wtedy, gdy wytwarzana jest przez elektryczne wyładowanie łukowe w gazie. Wówczas bowiem uzyskuje się wysoką efektywność zamiany energii elektrycznej na strumień ciepła i światła. Łuk elektryczny ma szerokie zastosowanie w technice, m.in. w piecach plazmowych, wyłącznikach prądowych, reaktorach plazmochemicznych, przy cięciu i spawaniu metali, przy napylaniu i obróbce metali trudnotopliwych, w lampach oświetleniowych. W ostatnich latach wyładowanie łukowe zastosowano w technice kosmicznej przy konstrukcji silników jonowych. W fizyce, wyładowanie łukowe bardzo często jest wykorzystywane jako źródło wzbudzenia pierwiastków, umożliwiające obserwacje widm spektralnych. W trakcie tych eksperymentów wyładowanie następuje zwykle w gazie szlachetnym, będącym głównym składnikiem plazmy, a badany pierwiastek jest wprowadzany jako domieszka do plazmy. Mimo szerokiego zastosowania łuku elektrycznego w technice i naukach podstawowych, wiedza na jego temat daleka jest od pełnego i dogłębnego zrozumienia. W szczególności, obszar styku plazmy z elektrodami jest opisywany jedynie w sposób przybliżony, gdyż jego własności zależą od wielu złożonych i wzajemnie sprzężonych efektów. Obszar ten ma podstawowe znaczenie dla globalnych własności całego łuku elektrycznego i stąd każdy postęp w tym względzie jest szczególnie cenny. Niniejsza monografia stanowi podsumowanie aktualnej wiedzy dotyczącej własności plazmy w pobliżu katody, ze szczególnym uwzględnieniem prac autora. Zawarto w niej zarówno już opublikowane rezultaty badań własnych, jak też najnowsze wyniki dotąd niepublikowane. Praca składa się z dwóch głównych części. W części pierwszej - teoretycznej (rozdziały: 1.-4.), dokonano przeglądu zagadnień bezpośrednio związanych z własnościami plazmy w łuku w pobliżu katody. W wielu przypadkach autor ograniczył się do omówienia tylko stacjonarnej, termicznej plazmy argonowej uznając, że pełny obraz zagadnień teoretycznych znacznie wykracza poza przyjęte ramy niniejszego opracowania. W części drugiej, eksperymentalnej, w rozdziale 5. opisano stosowaną aparaturę, metody opracowania danych i zaprezentowano uzyskane wyniki. W rozdziale 6. zaprezentowano wyniki modelowania numerycznego łuku. W kolejnym, 7. rozdziale, przedstawiono stan badań równowagi plazmy metodami nieliniowej spektroskopii laserowej. W zakończeniu, w zwięzłej formie, podsumowano najważniejsze wyniki doświadczalne i teoretyczne prezentowane w niniejszej pracy oraz wskazano niektóre z kwestii pozostających do rozstrzygnięcia w przyszłości.