Plasmaphysik

Plasma in einer Plasmalampe.

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magnetisch verformtes Plasma

Sonne

Blitze

Polarlicht

Als Plasma (gr. πλάσμα plásma „Gebilde“) bezeichnet man in der Physik ein (teilweise) ionisiertes Gas, das zu einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält. Mehr als 99 % der sichtbaren Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand.

Der Begriff Plasma geht in diesem Sinne auf Irving Langmuir (1928) zurück. Der Plasmazustand wird als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Die Theorie zur Beschreibung eines Plasmas als ein leitendes Gas ist die Magnetohydrodynamik.

Eigenschaften von Plasmen

Ein Plasma ist im Allgemeinen ein Gemisch aus neutralen und geladenen Teilchen (z. B. teilweise ionisiertes Plasma). In speziellen Fällen liegen nur geladene Teilchen, Elektronen und Ionen und/oder geladene Moleküle, vor (z. B. im vollständig ionisierten Plasma). Man kann Plasmen unter anderem durch folgende drei Eigenschaften kennzeichnen:

1. Die Debye-Länge $\lambda_D= \sqrt{ \frac{\varepsilon_0k_BT_e}{n_ee^2} }$ ist klein gegenüber den Abmessungen.
2. Die Anzahl von Teilchen in einer Kugel mit Radius gleich der Debye-Länge ist groß.
3. Die Zeit zwischen Stößen ist lang gegenüber der Periode der Plasmaoszillationen

Ein Plasma wird charakterisiert durch die vorhandenen Spezies (Elektronen, positive und negative Ionen, neutrale Atome, neutrale und geladene Moleküle), deren Dichten und Temperaturen (die nicht gleich sein müssen) und räumliche Struktur, insbesondere Ladung und Ströme bzw. elektrische und magnetische Felder.

Plasmen sind normalerweise quasineutral, d. h. die Netto-Ladungsdichte ist sehr klein im Vergleich zur Elektronendichte, bzw. die Differenz aus den Ladungen der negativ und positiv geladenen Teilchensorten ist näherungsweise Null. Ausnahmen beschränken sich auf Regionen von der Größe der Debye-Länge, z. B. in der Randschicht.

Das Verhältnis zwischen Ionenmasse und Elektronenmasse ist groß, mindestens 1836 (bei einem Wasserstoffplasma). Viele Eigenschaften von Plasmen lassen sich daraus ableiten.

Charakteristisch für Plasmen ist ihr typisches Leuchten, das durch Strahlungsemission angeregter Gasatome, Ionen oder Moleküle verursacht wird. Ausnahmen sind Plasmen, die sehr kalt sind (wie oft im Weltraum) oder die so heiß sind, dass die Atome vollständig ionisiert sind (wie im Zentrum von Sternen).

Vorkommen

Ein Teil des „leeren“ Raums zwischen den Himmelskörpern befindet sich im Plasmazustand; außerdem die Sonne und andere Sterne.

Auf der Erde findet man in der Ionosphäre und in Blitzen natürliche Plasmen. Flammen haben trotz nur schwacher Ionisierung auch teilweise Eigenschaften eines Plasmas.

In der Biosphäre gibt es keine praktisch nutzbaren natürlichen Plasmen. Um ein Plasma technisch anwenden zu können, muss man es daher erzeugen. Dies geschieht meist mit Hilfe einer Gasentladung.

Technische Plasmaanwendungen

Grundsätzlich können verschiedene im Plasma ablaufende chemische oder physikalische Prozesse ausgenutzt werden.

Die technische Anwendung von Plasmen lässt sich folgendermaßen untergliedern:

• Gasentladungslampen: unter anderem Energiesparlampen, Leuchtstofflampen und Bogenlampen enthalten Materie im Plasmazustand
• Oberflächentechnik: Plasmen werden in der Halbleitertechnologie zum Plasmaätzen und zur plasmainduzierten Materialabscheidung (PECVD) verwendet. In der Beschichtungstechnik werden Funktionsschichten wie z. B. Verspiegelungen oder Anti-Haft-Schichten aufgebracht. In der Werkstofftechnik werden Plasmen zur Oberflächenmodifizierung (Aufrauhen), zur plasmainduzierten Materialabscheidung (PECVD und Plasmapolymerisation), zur Oberflächenhärtung oder Plasmaoxidation eingesetzt;
• Analysentechnik: zum Aufschließen von Probenmaterialien (Plasmaveraschung) und in Messgeräten zum Spurennachweis von Metallen (ICP, ICP-MS; Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry, siehe Atomspektroskopie);
• Werkstoffverarbeitung: Lichtbogen-Schweißen und Plasmaschneiden
• Plasmabildschirm;
• Fusionsforschung: der Brennstoff in einem Fusionsexperiment mit magnetischem Einschluss befindet sich im Plasmazustand.

Anwendungen in der Beleuchtungstechnik

Das für Plasmen typische Leuchten wird ausgenutzt. Im Plasma führen Stoßprozesse schneller Elektronen mit Gasatomen oder Molekülen dazu, dass Elektronen aus der Hülle der getroffenen Partikel Energie zugeführt wird. Diese Energie wird dann zu einem späteren Zeitpunkt als abgestrahltes Licht freigesetzt. Das entstehende Spektrum hängt stark von den vorhandenen Gasen, dem Druck und der mittleren Energie der Elektronen ab.

In einigen Fällen kann das emittierte Licht direkt genutzt werden, so z. B. in Metalldampf-Hochdrucklampen (beispielsweise Quecksilber und Natrium), die in der Straßenbeleuchtung verbreitet zum Einsatz kamen und kommen oder bei bestimmten Edelgas-Hochdruckentladungen (z. B. Xenon). In anderen Fällen, wenn die Emission eher im UV-Bereich erfolgt, muss die elektromagnetische Strahlung erst in den für Menschen sichtbaren Spektralbereich (sichtbares Licht) umgewandelt werden. Dies erreicht man unter anderem mit Leuchtstoffen, die meist auf der Wand der Entladungsgefäße aufgebracht werden. Dabei wird die ultraviolette Strahlung im Leuchtstoff absorbiert und als Strahlung im Sichtbaren wieder abgegeben. Beispiele hierfür sind die bei der Innenraumbeleuchtung eingesetzten Leuchtstoff- und Energiesparlampen.

Plasmachemische Anwendungen

Der Einsatz von Plasmen für chemische Reaktionenen beruht auf der durch sie gelieferten hohen Konzentrationen chemisch reaktiver Molekülbruchstücke. In der Vergangenheit gab es Versuche, plasmachemische Verfahren industriell zur Synthese einzusetzen. 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, sondern nur noch bei der Entsorgung giftiger Gase.

Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung ist die Synthese von Diamanten. Dabei wird ein Diamant aus dem Plasma auf eine Oberfläche abgeschieden. Diese Diamantschicht ist polykristallin und hat nicht die Qualität von Schmuckdiamanten. Die Wachstumsraten dieser Schicht sind sehr klein (ca 1 µm/h). Daher sind dickere Schichten sehr teuer.

In großem Umfang wird Plasmachemie weiterhin in der Halbleiterindustrie betrieben. Hier werden Plasmen zum (Trocken)-Ätzen (Plasmaätzen) und zur Schichtabscheidung PECVD verwendet. Bei Ätzprozessen wird im Gegensatz zur Beleuchtungstechnik der direkte Kontakt des Plasmas mit der Oberfläche ausgenutzt, um gezielten Materialabtrag zu erreichen. Eine Schlüsselrolle spielen hierbei die in Wandnähe herrschenden elektrischen Felder, welche charakteristisch für Randschichten sind.

Auch beim Löten, Schneiden und Schweißen wird mit Plasmen großtechnisch gearbeitet (Schneiden, Schweißen und Löten mit Plasmabrennern, Lichtbogenschweißen).

Klassifizierung von Plasmen

Eine Klassifizierung der höchst unterschiedlichen Formen von Plasma kann aufgrund mehrerer Kriterien vorgenommen werden. 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. Ein Schlüsselparameter zur Unterscheidung von Plasmen ist der Druck des Gases, in welchem sich die ionisierten Teilchen bewegen. Dieses Hintergrundgas wird auch als Neutralgas bezeichnet.

Neutralgasdruck

Es kann unterschieden werden zwischen

• Niederdruckplasmen
• Normaldruckplasmen bzw. Atmosphärendruckplasmen
• Hochdruckplasmen

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 sind so genannte Hochdrucklampen.

Normaldruckplasmen werden ungefähr bei atmosphärischem Druck erzeugt. Eine typische Anwendung sind die dielektrisch behinderten Entladungen, die beispielsweise bei der Bearbeitung von Kunstoffbahnmaterialien eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel sind Lichtbögen, wie sie beim elektrischen Schweißen entstehen.

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 charakteristische 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 10.000 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. Damit eignen sich Niedertemperaturplasmen in besonderer Weise für die Oberflächenmodifizierung von temperaturempfindlichen Polymeren.

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. Die Saha-Gleichung beschreibt dabei den Grad der Ionisierung dieses Plasmas als Funktion der Temperatur, der Dichte und der Ionisierungsenergien der Atome.

• Thermische Plasmen mit hoher Temperatur (beispielsweise Sonnenkorona) sind fast vollständig ionisiert.
• Bei technisch hergestellten Niederdruckplasmen dagegen liegt der Grad der Ionisierung maximal bei wenigen Promille.

Die durch den Ionisierungsgrad und den Gasdruck bestimmte Ladungsträgerdichte eines Plasmas bestimmt die Ausbreitungsfähigkeit elektromagnetischer Wellen im Plasma, siehe auch Ionosphäre.

Erzeugung von Plasma

Ein Plasma kann nur durch äußere Energiezufuhr erhalten werden. Bleibt die Energieeinkopplung aus, so verlischt das Plasma, das heißt die positiven und negativen Ladungsträger rekombinieren zu neutralen Atomen, Molekülen oder Radikalen. Ferner können die Ladungsträger durch ambipolare Diffusion z. B. an elektrisch leitenden Wänden oder ins Vakuum des Weltalls verloren gehen. Hinzu kommen (Wärme-)Strahlungsverluste des Plasmas. Um den permanenten Verlust ionisierter Teilchen zu kompensieren, müssen diese immer wieder neu erzeugt werden, was z. B. durch Beschleunigung und Stoßionisation geschieht. Sehr schnelle Elektronen sind beim Auftreffen auf ungeladene Teilchen in der Lage, Elektronen aus deren Atomhülle herauszuschlagen. Dieser Vorgang kann unter geeigneten Bedingungen als Lawineneffekt ablaufen, sofern nach dem Stoß aus einem vorhandenen Elektron zwei (plus ein positives Ion) werden. Bei technischen Plasmen kann die räumliche Begrenzung des Plasmas problematisch sein. Die energiereichen Teilchen des Plasmas vermögen u.U. Wände, Werkstücke oder Elektrode durch intensive Strahlung oder energiereiche Teilchen zu schädigen, letzterer Prozess ist auch als Sputtern bekannt. Besonders in der Beleuchtungstechnik ist der Abtrag von Elektrodenmaterial aufgrund der damit einhergehenden Reduzierung der Standzeit unerwünscht.

Methoden der Energiezufuhr

Thermische Anregungen

Bei den thermischen Anregungen werden die Ladungsträger durch eine Stoßionisation erzeugt.

Chemische und nukleare Reaktionen

Führt eine exotherme Reaktion zu einer starken Erwärmung des Gases, so bewirken die durch die schnelle Molekülbewegung verursachten Stoßionisationsprozesse den Übergang in den Plasmazustand. Als Reaktion kommen chemische Verbrennung, Kernspaltung und Kernfusion in Frage.

Strahlungsanregungen

Bei den Strahlungsanregungen werden die Ladungsträger durch eine Strahlungsionisation erzeugt. Eine Möglichkeit dabei ist die Anregung durch fokussierte Laserstrahlung erzeugt werden. Trifft der gebündelte Laserstrahl auf einen Festkörper, entstehen Temperaturen von einigen tausend K, so dass eine thermische Ionisation stattfindet, die sich auch in den Gasraum über der Oberfläche ausbreitet. Das entstehende Plasma absorbiert seinerseits weitere Laserstrahlung und verstärkt den Vorgang. Bei besonders kurzen Laserpulsen kann es zum Phänomen der Selbstfokussierung des Strahls durch das Plasma kommen.

Sehr hohe Intensität im Fokus eines Laserstrahles kann auch in Luft zur Ausbildung eines Plasmas führen (Luftdurchbruch). Verantwortlich ist die sehr hohe elektrische Feldstärke der Wellen.

Anregungen durch elektrostatische Felder

Bei den Anregungen durch elektrostatische Felder werden die Ladungsträger durch eine Elektronenstoßionisation erzeugt.

Anregung durch Gleichspannung

Zwischen zwei Elektroden wird eine ausreichend hohe elektrische Gleichspannung angelegt. Bei geeigneter Kombination von Spannung, Elektrodenabstand und Gasdruck kommt es zu einem Überschlag und dem Zünden einer Entladung zwischen den Elektroden. Dabei wird zwischen Gasentladungen, Funkenentladung und Vakuumfunken unterschieden.

In allen Fällen bildet sich ein Plasma aus, welches auch den Stromfluss der Entladung ermöglicht.

Die Höhe der bis zum Zünden eines Plasmas nötigen Spannung hängt vom Elektrodenabstand, deren Form und dem Gasdruck ab (Paschen-Gesetz).

Drahtexplosion

Durch einen hohen Stromfluss (z. B. aus einer Kondensatorbatterie) durch einen dünnen Metalldraht verdampft dieser explosionsartig in einigen Mikro- bis Millisekunden. Dadurch entsteht eine teilweise ionisierte Metalldampfwolke und es kann eine Bogenentladung zünden, die zur weiteren Ionisierung des Metalldampfes führt. Solche so genannten Lichtbögen werden beim Elektroschweißen und bei Bogenlampen (Lichtbogenlampen) ausgenutzt.

Um die rasche Ausdehnung des Plasmas zu verhindern, kann dies in einem nicht leitenden Röhrchen stattfinden (Kapillarentladung).

Anregungen durch elektromagnetische Felder

Bei den Anregungen durch elektromagnetische Felder werden die Ladungsträger durch eine Elektronenstoßionisation erzeugt.

Kapazitive elektrische Anregung

Ein ausreichend starkes elektrisches Wechselfeld wird an zwei Platten angelegt. Zwischen den Platten bildet sich ein Plasma, in welchem geladene Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes hin und her oszillieren (Hochfrequenzanregung). Aus den Platten treten dabei nicht zwingend Ladungsträger aus. Welche Teilchen oszillieren, hängt von deren Masse und Ionisationsgrad ab. Die Frequenz, bis zu der hin eine Teilchensorte mitschwingen kann, wird Plasmafrequenz genannt.

Die Platten können auch außerhalb des Entladungsgefäßes angebracht sein, sodass deren Feld nur aufgrund der Kapazität der Wandung in das Plasma gelangt. Man spricht dann von elektrodenloser Anregung. Auf diese Weise werden Verunreinigungen durch das Elektrodenmaterial und der Verschleiß der Elektroden vermieden. Nach diesem Prinzip arbeiten einige Kohlendioxidlaser und dielektrisch behinderte Entladungs-Lampen^[1][2].

Induktive (magnetische) Anregung

Ein Wechselstrom wird durch eine Anregungsspule geleitet und induziert im Gas einen elektrischen Strom, was wiederum die Heizung der Ladungsträger bewirkt. Da die induzierten Feldlinien ringförmig geschlossen sind, ist ein berührungsloser Einschluss des Plasmas möglich. Man findet dieses Verfahren in Anlagen für Kernfusionsexperimente (Tokamak).

Auch dieses Verfahren ist elektrodenlos.

Anregung durch Mikrowellenstrahlung

Hierbei wird Mikrowellenstrahlung eines Magnetrons in den Reaktionsraum geleitet. Die Feldstärke der elektromagnetischen Welle muss zunächst hoch genug sein, um einen elektrischen Durchbruch und Stoßionisation hervorzurufen. Ist das Plasma gezündet, verändern sich die Feldstärke- und Impedanzverhältnisse stark – die Anpassungsbedingungen des sendenden Magnetrons ändern sich.

Praktische Anwendungen sind Plasmageneratoren und -beschichtungsanlagen, chemische Reaktoren, die Schwefellampe sowie die Diamantsynthese.

Pinch-Effekt

Das Magnetfeld, das durch den durch das Plasma fließenden Strom entsteht, schnürt dieses zusammen; diese Abschnürung wird auch als Pinch-Effekt bezeichnet. Dabei wird das Plasma dichter und heißer. Wenn die Stromquelle hohe Ströme im Bereich einiger zehn Kiloampere liefert, können sehr dichte, heiße und sehr stark ionisierte Plasmen erzeugt werden, die Röntgenstrahlung emittieren oder in denen sogar Kernfusionen stattfinden (Tokamak).

Literatur

• R.J. Goldston, P.H. Rutherford: Plasmaphysik. Eine Einführung. Vieweg, Braunschweig 1998; ISBN 3-528-06884-1
• K.-H. Spatschek: Theoretische Plasmaphysik. Eine Einführung. Teubner, Stuttgart 1990; ISBN 3-519-03041-1
• F.F. Chen: Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion. Plenum Press, New York 1983
• Subrahmanyan Chandrasekhar: Plasma Physics. University of Chicago Press 1960
• Parker, E.N.: Cosmical Magnetic Fields: Their Origin and Their Activity. Oxford & NY: Clarendon Press, 1979
• F. Cap: Einführung in die Plasmaphysik. I. Theoretische Grundlagen. Vieweg, Wiesbaden 1984
• Rainer Hippler, (et al.): Low Temperature Plasma Physics - fundamental aspects and applications. Wiley-VCH, Berlin 2001, ISBN 3-527-28887-2
• Vadim N. Tsytovich: Lectures on Non-linear Plasma Kinetics. Springer, Berlin 1995, ISBN 0-387-57844-7
• Hubertus M. Thomas, Gregor E. Morfill: Plasmakristalle an Bord der ISS: Komplexe Plasmen in Schwerelosigkeit. Physik in unserer Zeit 36(2), S. 76–83 (2005), ISSN 0031-9252
• Hannelore Dittmar-Ilgen: Perspektivenreiche Hochleistungslaser; Naturwissenschaftliche Rundschau 10/2006, S. 549

Weblinks

• Madgyvers Plasma Generator – Amateurversuche
• Making Plasma
• Plasmaportal des VDI Technologiezentrum
• TechPortal Plasmatechnologie
• Linksammlung des Weizmann Instituts
• Record Set for Hottest Temperature on Earth: 3.6 Billion Degrees (Fahrenheit) in Lab
• Aus der Fernsehsendung Alltag über Experimente mit Plasma auf der ISS

Einzelnachweise

1. ↑ Universität Karlsruhe, Lichttechnisches Institut: Einsatz nanoskaliger Leuchtstoffe in dielektrisch behinderten Entladungen in Xenon
2. ↑ Dr. Rich P. Mildren, Macquarie Universität, Australien: Dielectric Barrier Discharge Lamps (engl.), gesichtet 11.11.2008

Aggregatzustände

Klassische Aggregatzustände:
Gas | Flüssigkeit | Festkörper

Nichtklassische Aggregatzustände:
Plasma | Bose-Einstein-Kondensat | Suprafluidität | Suprasolidität | mesomorpher Zustand | überkritischer Zustand | Atomgas