Nichtthermisches Plasma

Nichtthermische Plasmen sind Plasmen, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, also z. B. sich die Temperaturen der enthaltenen Teilchensorten (Neutralteilchen, Ionen, Elektronen) signifikant unterscheiden.

Thermisches Ungleichgewicht kann in technischen Realisierungen verschiedene Ursachen haben:

• Reduzierter Gasdruck, Niederdruckplasma

Bei reduzierten Drücken (z. B. weniger als 100 Pa = 0.001 bar) ist die mittlere freie Weglänge so groß, dass keine nennenswerte Energieübertragung zwischen den Teilchen stattfinden kann, dass also kein thermisches Gleichgewicht entstehen kann. Über Einkopplung elektromagmetischer Wellen werden aber dennoch die freien Elektronen selektiv geheizt. Für den Großteil aller Gasteilchen liegt die Temperatur bei Raumtemperatur, das Plasma enthält aber einen kleinen Anteil von Elektronen, die sehr hohe Energien (Temperaturen) aufweisen, bis mehrere 10000 °C.

Diese energiereichen Elektronen und die energiereiche Strahlung von Elektronenübergängen sind zur Induktion von chemischen Reaktionen an Oberflächen bzw. in oberflächennahen Bereichen befähigt, die selbst die Modifizierung stabilster chemischer Strukturen beinhalten kann. Gleichzeitig findet keine thermische Belastung dieser Oberfläche statt, da die makroskopische Temperatur des Plasmas der Umgebung angepasst ist.

• Zeitlich stark variierende Plasmaparamter

Z. B. in den so genannten Dielektrisch behinderten Entladungen werden trotz normalen Gasdrucks Plasmen weit ab vom thermischen Gleichgewicht erzeugt. Im genannten Beispiel bilden sich durch eine hochfrequente Wechselspannung mit jeder Periode an anderen Stellen winzige Entladungskanäle, so genannte Streamer aus. Da die Entladungskanäle nur einen Bruchteil des gesamten Entladungsvolumens ausmachen, bleibt die mittlere Gastemperatur in der Entladung niedrig, also in der Nähe der Raumtemperatur.

Ein weiteres Beispiel sind gepulste Plasmen d. h. Plasmen, die nur für Sekundenbruchteile angeregt werden, d. h. in dieser auch nicht das thermische Gleichgewicht erreichen können.