Plasma’s uitgelegd

We leven gelukkig in de gasvormige lagere atmosfeer van de aarde, die bestaat uit een mengsel van gassen – voornamelijk stikstof en zuurstof. Maar als we ons vanaf het aardoppervlak naar boven begeven, verandert de omgeving en voldoet ze niet meer aan deze beschrijving. Op ongeveer 80 km boven het aardoppervlak bestaat de atmosfeer niet langer uit gas. In plaats daarvan bestaat hij uit geïoniseerd gas, dat bestaat uit een evenwichtige mix van elektronen, positieve ionen en neutrale deeltjes. Deze toestand wordt plasma genoemd. In de volksmond de “vierde toestand van de materie” genoemd, is het volgens veel astrofysici de allereerste toestand, omdat het de eerste was die zich onmiddellijk na de oerknal vormde.

Om plasma te maken, is energie nodig om elektronen van atomen te ontdoen. De energie kan van verschillende vormen zijn – warmte, elektrisch of licht (ultraviolet licht of intens zichtbaar licht van een laser). Als er onvoldoende energie is om het plasma in stand te houden, recombineren de plasma’s tot neutraal gas.

Verder in de ruimte wordt al het gas geïoniseerd, en het is de hoogenergetische elektromagnetische straling van de zon, die zelf uit plasma bestaat, die verantwoordelijk is voor dit ionisatieproces. De ruimte wordt dus gedomineerd door plasma. In feite bestaat 99% van de materie in het bekende heelal uit plasma.

Plasmavormen

Plasma’s komen in de natuur voor, maar kunnen ook kunstmatig worden gemaakt. Natuurlijk voorkomende plasma’s kunnen op aarde (terrestrial) of in de ruimte (astrophysical) voorkomen. Kunstmatige plasma’s zijn ontwikkeld om te voldoen aan de behoeften van een breed scala van fabricage-, productie- en gespecialiseerde coatingsindustrieën.

Voorbeelden van drie vormen van plasma

Plasma-eigenschappen

Plasma is de hoogste energietoestand van materie. Het bestaat uit een verzameling vrij bewegende elektronen, positieve ionen en neutrale deeltjes. Hoewel het nauw verwant is aan de gasfase in die zin dat het geen bepaalde vorm of volume heeft, verschilt het op een aantal manieren:

• Plasma heeft een zeer hoog elektrisch geleidingsvermogen.
• Plasma wordt gemakkelijker beïnvloed door elektrische en magnetische velden dan door de zwaartekracht
• De beweging van elektronen en ionen in plasma produceert zijn eigen elektrische en magnetische velden.
• Omwille van de totaal chaotische en hoogenergetische toestand van de samenstellende deeltjes van plasma, produceert het zijn eigen elektromagnetische straling.

Om de hoogenergetische toestand die in plasma bestaat te produceren en in stand te houden, moet er een voortdurende toevoer van energie zijn.

Kunstmatig plasma – warm en koud

Het hete of thermische plasma wordt geproduceerd in atmosferische vlambogen, vonken en vlammen. Het sterk geïoniseerde plasma bestaat uit grote aantallen elektronen en positieve ionen, waarbij de temperatuur van beide extreem hoog is. Afhankelijk van hun vermogen werken plasmasnijbranders bij zeer hoge temperaturen tussen 5000 en 10 000°C.

Koud of niet-thermisch plasma is minder goed geïoniseerd, en hoewel de elektronen een hoge temperatuur hebben, hebben de positieve ionen en neutrale deeltjes een lagere temperatuur. Wanneer een fluorescerende verlichtingsbuis wordt ingeschakeld, ontstaat er koud plasma (bij kamertemperatuur) in de buis.

Kunstmatige plasmatoepassingen

Thermische plasmatoepassingen strekken zich uit over een aantal industrieën, waaronder verlichting, coatings en metaalfabricage en -zuivering. Voorbeelden hiervan zijn:

• metaalhalide booglampen gebruikt in schijnwerpers
• plasma coating processen die het mogelijk maken slijtvaste en hittebestendige coatings af te zetten op geselecteerde oppervlakken
• het gebruik van elektrische bogen voor het snijden en lassen van metalen.

Naarmate wetenschappers meer zijn gaan begrijpen van de structuur en eigenschappen van plasma, hebben zich nieuwe technologieën ontwikkeld die hebben geleid tot een snelle uitbreiding van koude of niet-thermische plasma toepassingen. Zo worden bij de fabricage van computeronderdelen processen als plasma-gestuurde chemische dampafzetting en etsen gebruikt om geïntegreerde schakelingen te fabriceren. Plasmabehandeling van dit type is van groot belang geweest bij het ontwerp en de fabricage van de krachtige, compacte computers en mobiele telefoons die nu algemeen in gebruik zijn.

Andere voorbeelden van koud plasmagebruik omvatten:

• fluorescentiebuisverlichting
• plasma TV’s
• milieubeheersing – het verminderen van de uitstoot van verontreinigende gassen
• plasma balspeelgoed.

Plasma TV werking

Het platte scherm bestaat uit twee transparante glaspanelen sandwich een dunne laag van pixels. Elke pixel bestaat uit drie met gas gevulde cellen. Het gas is een mengsel van neon en xenon. Elke cel is aan de binnenkant beschilderd met een fosfor die, wanneer hij wordt gestimuleerd, rood, groen of blauw zichtbaar licht zal uitstralen. Via een raster van kleine elektroden kan elektrische stroom worden toegevoerd naar elke cel in de pixel. Wanneer er stroom vloeit, ioniseert het gas in de cel tot een plasmatoestand, en als gevolg daarvan wordt UV-licht uitgezonden. De fosfor die de wanden van de cel bedekt, absorbeert dit UV-licht en wordt gestimuleerd om zichtbaar licht uit te zenden, hetzij rood, groen of blauw.

Hoeveel pixels een plasmascherm heeft, hangt af van de resolutie van het scherm. Een plasmascherm met een resolutie van 1280 x 720 heeft 1280 x 720 = 921.600 pixels. Elke pixel heeft drie cellen, dus een plasmascherm met een resolutie van 1280 x 720 heeft 3 x 921.600 = 2.764.800 afzonderlijke cellen.

Door de stroompulsen die door de verschillende cellen lopen te variëren, kan het regelsysteem de intensiteit van elke celkleur verhogen of verlagen om honderden verschillende combinaties van rood, groen en blauw te creëren. Op deze wijze kan het besturingssysteem kleuren produceren over het gehele spectrum.