Для получения высокоэнергетического состояния вещества требуется разогрев до 10 000–100 000 К. В промышленности применяют дуговые разряды с силой тока от 100 А, где электроды из вольфрама или меди охлаждаются водой. Например, плазмотроны для резки металла работают при 30 000 °C, используя смесь аргона с водородом.
Магнетронное напыление позволяет формировать тонкие пленки с точностью до нанометра. Камера вакуумируется до 0,001 Па, после чего инертный газ (обычно аргон) ионизируется высокочастотным полем 13,56 МГц. Скорость осаждения материала достигает 500 нм/мин при мощности 5 кВт.
В медицинских стерилизаторах применяют низкотемпературные коронные разряды. Обработка перекисью водорода в сочетании с СВЧ-излучением 2,45 ГГц уничтожает 99,9% бактерий за 15 секунд. Давление в камере не превышает 50 Па, что исключает повреждение оборудования.
Методы генерации ионизированного газа
Для получения высокотемпературного состояния вещества применяют электрический разряд в герметичной камере с инертным газом. Напряжение от 5 до 20 кВ подают между электродами, что вызывает пробой среды и образование заряженных частиц.
Частота разряда варьируется от 40 кГц до 13,56 МГц в зависимости от цели. Низкочастотные установки используют для промышленной резки металлов, высокочастотные – для нанесения тонкоплёночных покрытий.
Концентрация частиц достигает 10¹⁶–10¹⁹ на м³ при температуре электронов 10 000–100 000 К. Для стабилизации потока применяют магнитные поля с индукцией 0,1–1 Тл, что увеличивает время жизни системы до нескольких часов.
В медицинских стерилизаторах применяют холодные варианты с температурой не выше 40°C. Здесь используют смесь гелия и кислорода при давлении 0,1–0,5 атм, где доля ионизированных частиц не превышает 0,1%.
Газы для генерации плазмы: выбор и характеристики
Аргон – основной газ в плазменных установках. Его низкий потенциал ионизации (15,76 эВ) и химическая инертность обеспечивают стабильный разряд без реакций с электродами. Применяется в сварке, резке и напылении покрытий.
Гелий используют для высокотемпературных задач. Несмотря на высокую стоимость, он создаёт плазму с температурой до 20 000 К, подходит для лазерной накачки и анализа материалов.
Азот добавляют в смеси для увеличения энергии ионного потока. Эффективен в обработке металлов – снижает окисление кромок при резке.
Кислород включают в состав для повышения скорости разделения чёрных металлов. Окислительные свойства ускоряют экзотермические реакции, но требуют вольфрамовых электродов.
Водород в малых концентрациях (до 5%) повышает теплопроводность плазменной струи. Применяется в микроэлектронике для травления кремния.
Смеси аргона с водородом (до 35%) или гелием (до 90%) регулируют тепловую нагрузку. Оптимальный подбор соотношения зависит от толщины обрабатываемого материала.
Контроль температуры и стабильности плазмы в промышленных установках
Методы регулирования теплового режима
Для точного управления температурой применяют системы водяного охлаждения с расходом 10–50 л/мин на 1 кВт мощности. Датчики инфракрасного спектра (диапазон 300–2500 нм) фиксируют отклонения с точностью ±5°C. В реакторах с индукционным нагревом используют кварцевые термопары типа K, выдерживающие до 1600°C.
Стабилизация параметров разряда
Ключевые решения:
- Генераторы с обратной связью (частота 13,56 МГц ±0,1%)
- Автоматическая подстройка напряжения (шаг 0,5–2 кВ)
- Магнитные фильтры для подавления флуктуаций (коэффициент стабилизации 1:1000)
В дуговых системах контроль плотности тока (50–200 А/см²) снижает отклонения состава на 12–18%. Оптические эмиссионные спектрометры анализируют интенсивность линий (например, Ar I 750,4 нм) с частотой 100 Гц.
Пример настройки: При обработке кремния оптимальный режим достигается при давлении 0,5–1,5 мбар, где теплопотери не превышают 15% от мощности разряда.
