Plasmat selitetty

Elämme onneksi maapallon kaasumaisessa alemmassa ilmakehässä, joka koostuu kaasuseoksesta – pääasiassa typestä ja hapesta. Jos kuitenkin siirrymme Maan pinnasta ylöspäin, ympäristö muuttuu eikä enää vastaa tätä kuvausta. Noin 80 kilometrin korkeudella Maan pinnasta ilmakehä ei enää koostu kaasusta. Sen sijaan se koostuu ionisoituneesta kaasusta, joka koostuu elektronien, positiivisten ionien ja neutraalien hiukkasten tasapainoisesta sekoituksesta. Tätä tilaa kutsutaan plasmaksi. Se tunnetaan yleisesti ”aineen neljäntenä olotilana”, ja monien astrofyysikoiden mielestä se on aivan ”ensimmäinen” olotila, koska se muodostui ensimmäisenä heti alkuräjähdyksen jälkeen.

Plasman aikaansaamiseksi tarvitaan energiaa elektronien irrottamiseksi atomeista. Energia voi olla eri muodoissa – lämpöä, sähköä tai valoa (ultraviolettivaloa tai laserin voimakasta näkyvää valoa). Jos ylläpitovoima ei riitä, plasmat yhdistyvät neutraaliksi kaasuksi.

Kauempana avaruudessa kaikki kaasu ionisoituu, ja tämän ionisoitumisprosessin saa aikaan Auringon erittäin energinen sähkömagneettinen säteily, joka itsessään koostuu plasmasta. Avaruutta hallitsee siis plasma. Itse asiassa 99 % tunnetun maailmankaikkeuden aineesta on plasmaa.

Plasmamuodot

Plasmoja esiintyy luonnossa, mutta niitä voidaan myös valmistaa keinotekoisesti. Luonnossa esiintyvät plasmat voivat olla maanpäällisiä (terrestrisiä) tai avaruusplasmoja (astrofyysisiä). Keinotekoisia plasmoja on kehitetty palvelemaan monenlaisten valmistus-, valmistus- ja erikoispinnoitusteollisuuden tarpeita.

Esimerkkejä kolmesta plasman muodosta

Plasman ominaisuudet

Plasma on aineen korkeimman energian tila. Se koostuu vapaasti liikkuvien elektronien, positiivisten ionien ja neutraalien hiukkasten kokoelmasta. Vaikka se on läheistä sukua kaasufaasille siinä mielessä, että sillä ei ole määriteltyä muotoa tai tilavuutta, se eroaa siitä monin tavoin:

• Plasmalla on erittäin suuri sähkönjohtavuus.
• Plasmaan vaikuttavat helpommin sähkö- ja magneettikentät kuin painovoima
• Elektronien ja ionien liikkeet plasmassa tuottavat omia sähkö- ja magneettikenttiä.
• Plasman muodostavien hiukkasten täysin kaoottisen ja erittäin energeettisen tilan vuoksi plasma tuottaa omaa sähkömagneettista säteilyään.

Plasmassa vallitsevan erittäin energeettisen tilan aikaansaamiseksi ja ylläpitämiseksi tarvitaan jatkuvaa energiansaantia.

Tekoinen plasma – kuuma ja kylmä

Kuumaa eli termistä plasmaa tuotetaan ilmakehän valokaarissa, kipinöinnissä ja liekeissä. Voimakkaasti ionisoitunut plasma koostuu suuresta määrästä elektroneja ja positiivisia ioneja, ja molempien lämpötila on erittäin korkea. Tehosta riippuen plasmaleikkauspolttimet toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa, jotka vaihtelevat 5000 ja 10 000 °C:n välillä.

Kylmä eli ei-lämpöinen plasma on heikommin ionisoitunutta, ja vaikka elektronit ovat korkealämpöisiä, positiivisten ionien ja neutraalien hiukkasten lämpötila on alhaisempi. Kun loisteputki kytketään päälle, putken sisälle syntyy kylmää plasmaa (huoneenlämpötilassa).

Tekoplasman käyttökohteet

Termisen plasman käyttökohteet ulottuvat useille teollisuudenaloille, kuten valaistukseen, pinnoitteisiin sekä metallin valmistukseen ja puhdistukseen. Esimerkkejä näistä ovat:

• metallihalogenidikaarivalaisimet, joita käytetään valonheittimissä
• plasmapäällystysprosessit, jotka mahdollistavat kulutusta ja lämpöä kestävien päällysteiden pinnoittamisen valituille pinnoille
• sähkökaarien käyttö metallien leikkaamiseen ja hitsaamiseen.

Kun tiedemiehet ovat oppineet ymmärtämään entistä enemmän plasman rakennetta ja ominaisuuksia, uusia tekniikoita on kehitetty, mikä on johtanut siihen, että kylmän tai muun kuin lämpimän plasman käyttökohteiden käyttöalueet ovat laajentuneet nopeasti. Esimerkiksi tietokonelaitteistojen komponenttien valmistuksessa käytetään integroitujen piirien valmistukseen prosesseja, kuten plasmavahvistettua kemiallista kaasufaasipinnoitusta ja etsausta. Tämäntyyppinen plasmakäsittely on ollut keskeisessä asemassa yleisessä käytössä olevien tehokkaiden ja pienikokoisten tietokoneiden ja matkapuhelimien suunnittelussa ja valmistuksessa.

Muita esimerkkejä kylmän plasman käyttökohteista ovat:

• loisteputkivalaisimet
• plasmatelevisiot
• ympäristönvalvonta – saastuttavien kaasupäästöjen vähentäminen
• plasmapallolelut.

Plasma-tv:n toiminta

Litteä kuvaruutu koostuu kahdesta läpinäkyvästä lasisesta paneelista, joiden välissä on sandwich-periaatteella asetettu ohuen pieni kerros pikseleitä. Jokainen pikseli koostuu kolmesta kaasutäytteisestä kennosta. Kaasu on neonin ja ksenonin seos. Jokaisen kennon sisäpuolelle on maalattu fosfori, joka stimuloidessaan säteilee näkyvää punaista, vihreää tai sinistä valoa. Pienistä elektrodeista koostuva verkko mahdollistaa sähkövirran syöttämisen kuhunkin pikselin kennoon. Kun virta kulkee, kennossa oleva kaasu ionisoituu plasmatilaan, minkä seurauksena UV-valo emittoituu. Kennon seinämiä päällystävä fosfori absorboi tämän UV-valon ja stimuloituu lähettämään näkyvää valoa, joko punaista, vihreää tai sinistä.

Plasmanäytön resoluutiosta riippuu, kuinka monta pikseliä siinä on. 1280 x 720 resoluution plasmanäytössä on 1280 x 720 = 921 600 pikseliä. Jokaisessa pikselissä on kolme kennoa, joten 1280 x 720 -resoluution plasmanäytössä on 3 x 921 600 = 2 764 800 yksittäistä kennoa.

Vaihtelemalla eri kennojen läpi kulkevia virtapulsseja ohjausjärjestelmä voi lisätä tai vähentää kunkin kennon värin voimakkuutta luodakseen satoja erilaisia punaisen, vihreän ja sinisen yhdistelmiä. Tällä tavoin ohjausjärjestelmä voi tuottaa värejä koko spektrin alueelta.