Plasman luokittelu (plasmatyypit)

Plasmoja kuvataan monilla ominaisuuksilla, kuten lämpötilalla, ionisoitumisasteella ja tiheydellä, joiden suuruus ja niitä kuvaavan mallin likiarvot johtavat siihen, että plasmat voidaan luokitella eri tavoin.

Pseudoplasmat vs. todelliset plasmat

Todellisella plasmalla voi olla monimutkaisia ominaisuuksia, jotka osoittivat monimutkaisia ilmiöitä. Mallintaakseen sen käyttäytymistä tutkijat voivat approksimoida ja yksinkertaistaa todellisen plasman ominaisuuksia; tämä pseudoplasma voi tai ei voi olla riittävä esitys todellisesta plasmasta. Pseudoplasmoissa laiminlyödään yleensä kaksoiskerrokset, epävakaudet, filamenttirakenteet, plasmasäteet, sähkövirrat ja muut mahdollisesti tärkeät ominaisuudet.

Kylmät, lämpimät ja kuumat plasmat

Laboratoriossa hehkupurkausputken positiivisessa pylväässä:

”…on plasma, joka koostuu samasta määrästä elektroneja ja ioneja. Matalapaineisessa kaasupurkauksessa elektronien ja kaasumolekyylien törmäysnopeus ei ole riittävän tiheä, jotta elektronien ja kaasumolekyylien energian välillä vallitsisi ei-terminen tasapaino. Suurenergiset hiukkaset koostuvat siis enimmäkseen elektroneista, kun taas kaasumolekyylien energia on noin huoneenlämmössä. Meillä on Te >> Ti >> Tg, missä Te, Ti ja Tg ovat vastaavasti elektronin, ionin ja kaasumolekyylien lämpötilat. Tällaista plasmaa kutsutaan ”kylmäksi plasmaksi”. ”Korkeapaineisessa kaasupurkauksessa tapahtuu usein elektronien ja kaasumolekyylien törmäyksiä. Tämä aiheuttaa termisen tasapainon elektronien ja kaasumolekyylien välille. Meillä on Te ≃ Tg. Kutsumme tällaista plasmaa ”kuumaksi plasmaksi”. ”Kylmässä plasmassa ionisaatioaste on alle 10-4.”

Seuraavasti:

”Plasmaa kutsutaan joskus ”kuumaksi”, jos se on lähes täysin ionisoitunut, tai ”kylmäksi”, jos vain pieni osa, (esimerkiksi 1 %) kaasumolekyyleistä on ionisoitunut, mutta termien ”kuuma plasma” ja ”kylmä plasma” muut määritelmät ovat yleisiä. Jopa kylmässä plasmassa elektronien lämpötila on edelleen tyypillisesti useita tuhansia senttimetrejä.”

kuuma plasma (terminen plasma)

Kuuma plasma on plasma, joka lähestyy paikallisen termodynaamisen tasapainotilan (LTE) tilaa. Kuumaa plasmaa kutsutaan myös termiseksi plasmaksi, mutta venäjänkielisessä kirjallisuudessa ”matalalämpöiseksi” plasmaksi, jotta se voitaisiin erottaa lämpöydinfuusioplasmasta. Tällaisia plasmoja voidaan tuottaa ilmakehän valokaarilla, kipinöillä ja liekeillä.

Kylmä plasma (ei-terminen plasma)

Kylmällä plasmalla tarkoitetaan plasmaa, jossa ionien lämpöliike voidaan jättää huomiotta. Näin ollen painevoimaa ei ole, magneettivoima voidaan jättää huomiotta ja vain sähkövoiman katsotaan vaikuttavan hiukkasiin. Esimerkkejä kylmistä plasmoista ovat Maan ionipallo (noin 1000 K verrattuna Maan rengasvirtalämpötilaan, joka on noin 108 K.), virtauspurkaus loisteputkessa,

Ultakylmä plasma

Ultakylmä plasma on plasma, joka esiintyy niinkin alhaisissa lämpötiloissa kuin 1 K:n lämpötiloissa, ja se voidaan muodostaa fotoionisoimalla laserilla jäähdytettyjä atomeja. Ultrakylmät plasmat ovat yleensä melko herkkiä, ja kokeet tehdään tyhjiössä.

Plasman ionisaatio

Plasman ionisaatioaste on varattujen hiukkasten osuus hiukkasten kokonaismäärästä neutraalit ja ionit mukaan lukien, ja se määritellään seuraavasti: α = n+/(n + n+) missä n on neutraalien lukumäärä ja n+ on varattujen hiukkasten lukumäärä. α on kreikan kirjain alfa.

Plasman käyttäytymiseen vaadittava ionisointiaste

Umran S. Inan et al. kirjoittavat:

”Osoittautuu, että hyvin pieni ionisaatioaste riittää siihen, että kaasulla on sähkömagneettisia ominaisuuksia ja se käyttäytyy plasmana: kaasun sähkönjohtavuus saavuttaa noin puolet mahdollisesta maksimiarvostaan noin 0,1 %:n ionisaatioasteella, ja sen sähkönjohtavuus on lähes sama kuin täysin ionisoidun kaasun noin 1 %:n ionisaatioasteella.”

Plasmassa, jossa ionisaatioaste on korkea, varattujen hiukkasten törmäykset hallitsevat. Plasmoissa, joissa ionisaatioaste on alhainen, varattujen hiukkasten ja neutraalien väliset törmäykset hallitsevat. Ionisaatioaste, joka määrää, milloin kaasusta tulee plasma, vaihtelee eri plasmatyyppien välillä, ja se voi olla niinkin pieni kuin 10-6:

”Monista plasmatyypeistä plasmankäsittelyssä yleisesti käytetyt plasmatyypit ovat matalalämpötilaisia, pienitiheyksisiä, epätasapainossa olevia, törmäysvaltaisia ympäristöjä. Matalalla lämpötilalla tarkoitamme ”kylmiä” plasmoja, joiden lämpötila yleensä vaihtelee 300 K ja 600 K välillä, matalalla tiheydellä tarkoitamme plasmoja, joiden neutraalien kaasujen lukumäärän tiheydet ovat noin 1013-1016 molekyyliä cm-3 (paine ~ 0,1-103 Pa) ja jotka ovat heikosti ionisoituneita välillä 10-6-10-1.”

Seuraavasti:

”… Coulombin törmäykset dominoivat neutraalien kanssa tapahtuvia törmäilyjä missä tahansa plasmassa, joka on edes muutama prosenttisesti ionisoitunut. Vain jos ionisaatiotaso on hyvin alhainen (<10-3), neutraalien törmäykset voivat dominoida.””

Alfvén ja Arrhenius toteavat myös:

”Siirtymä täysin ionisoituneen plasman ja osittain ionisoituneen plasman välillä ja päinvastoin on usein epäjatkuva (Lehnert, 1970b). Kun plasman syöttöenergia kasvaa asteittain, ionisoitumisaste hyppää yhtäkkiä yhden prosentin murto-osasta täyteen ionisaatioon. Tietyissä olosuhteissa raja täysin ionisoituneen ja heikosti ionisoituneen plasman välillä on hyvin jyrkkä.”

Täysin ionisoitunut plasma

Täysin ionisoituneen plasman ionisaatioaste lähestyy 1:tä (eli 100 %). Esimerkkejä ovat Aurinkotuuli (planeettojen välinen väliaine), tähtien sisäosat (Auringon ydin), fuusioplasmat

Partial ionisoitunut plasma (heikosti ionisoitunut kaasu)

Partial ionisoituneessa plasmassa ionisoitumisaste on alle 1. Esimerkkejä ovat ionosfääri (2×10-3), kaasupurkausputket.

Aurorassa voi näkyä heikosti ionisoituneen kaasun ja heikosti ionisoituneen plasman ominaisuuksia:

”Jos havaitsemme revontulia yötaivaalla, saamme silmiinpistävän ja näyttävän demonstraation kaasun ja plasman käyttäytymisen erosta. Heikot revontulet ovat usein diffuuseja ja levittäytyvät laajoille alueille. Ne sopivat kohtuullisen hyvin kuvaan ionisoituneesta kaasusta. Ionisoitumisaste on niin I alhainen, että väliaineella on edelleen joitakin kaasun fysikaalisia ominaisuuksia, jotka ovat homogeenisia suurilla tilavuuksilla. Tietyissä muissa tapauksissa (esim. revontulien voimakkuuden kasvaessa) revontulista tulee kuitenkin erittäin epähomogeeninen, ja se koostuu lukuisista säteistä, ohuista kaarista ja verhoista silmiinpistävä esimerkki useimpien magnetoitujen plasmojen perusominaisuuksista.”

Fysiikan apulaisprofessori Richard Fitzpatrick kirjoittaa:

”Huomaa, että plasman kaltainen käyttäytyminen seuraa sen jälkeen, kun huomattavan pieni osa kaasusta on ionisoitunut. Näin ollen fraktionaalisesti ionisoituneissa kaasuissa esiintyy suurin osa täysin ionisoituneille kaasuille ominaisista eksoottisista ilmiöistä.””

Törmäysplasmat

Ei-törmäysplasmat

Neutraalit plasmat

Ei-neutraali plasma

Plasmojen tiheydet

Keskitiheä plasma

Magneettiset plasmat

ei-magneettinen plasma

Kompleksiset plasmat

Pölyplasmat ja raeplasmat

Pölyplasma on plasma, jossa on nanometrin tai mikrometrin kokoisia hiukkasia suspendoituna. Raeplasma sisältää suurempia hiukkasia kuin pölyplasmat. Esimerkkeinä voidaan mainita komeetat, planeettarenkaat, paljastuneet pölyiset pinnat ja eläinradan pölypilvi.

Kolloidiplasmat, nestemäiset plasmat ja plasmakiteet

”Kiinteistä hiukkasista koostuva makroskooppinen Coulombin kide plasmassa on havaittu. Kuvat 7 μm:n ”pölyhiukkasten” pilvestä, joka on varattu ja leijuu heikosti ionisoidussa argonplasmassa, paljastavat kuusikulmaisen kiderakenteen. Kide näkyy paljain silmin.”

”Kolloidiplasmat voivat tietyissä olosuhteissa ”tiivistyä” nestemäisiin ja kiteisiin tiloihin säilyttäen samalla olennaiset plasmaominaisuutensa. Tämä ”plasman tiivistyminen” johtaa siis uusiin olomuotoihin: ”nestemäiset plasmat” ja ”plasmakiteet”.” Kokeellisesta löydöstä raportoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1994″.

”Nestemäisiä ja kiteisiä faaseja voi muodostua niin sanotuissa monimutkaisissa plasmoissa – plasmoissa, joihin on lisätty kiinteitä hiukkasia nano- ja mikrometrien välillä. Hiukkaset absorboivat elektroneja ja ioneja ja latautuvat negatiivisesti muutamaan volttiin asti. Koska hiukkasten massa on suuri verrattuna elektronien ja ionien massaan, ne hallitsevat plasmassa tapahtuvia prosesseja, ja niitä voidaan tarkkailla perustavanlaatuisimmalla – kineettisellä tasolla. Hiukkasten välisen voimakkaan Coulombin vuorovaikutuksen ansiosta on mahdollista, että hiukkaspilvet muodostavat neste- ja kiderakenteita. Jälkimmäistä kutsutaan ’plasmakiteeksi’.”

Aktiiviset ja passiiviset plasmat

Hannes Alfvén kirjoittaa:

”Passiiviset plasma-alueet, joita voidaan kuvata klassisella hydrodynaamisella teorialla. Ne välittävät aaltoja ja suurienergisiä varattuja hiukkasia, mutta jos kentän suuntaiset virrat ylittävät tietyn arvon, ne siirtyvät. Aktiiviset plasma-alueet: Nämä kuljettavat kenttäsuuntautuneita virtoja, jotka antavat niille filamentti- tai levyrakenteen, jonka paksuus on jopa muutaman syklotronisäteen paksuinen (ioninen tai jopa elektroninen). Ne siirtävät energiaa alueelta toiselle ja tuottavat sähköisiä kaksoiskerroksia, jotka kiihdyttävät hiukkasia suuriin energioihin. Aktiivisia alueita ei voida kuvata hydromagneettisilla teorioilla. Reunaehdot ovat välttämättömiä ja ne voidaan ottaa käyttöön piiriteorialla.”

Alfvén jatkaa:

Passiivinen plasma

”Nämä alueet voivat välittää erityyppisiä plasma-aaltoja ja suurienergisten hiukkasten virtausta. Siellä voi esiintyä magneettikenttää vastaan kohtisuorassa olevia ohimeneviä virtoja, jotka muuttavat plasman liiketilaa, mutta eivät välttämättä liity voimakkaisiin sähkökenttiin, ja magneettikentän suuntaisia virtoja. Tällainen plasma täyttää suurimman osan avaruudesta.”

Aktiivinen plasma

”Passiivisten plasma-alueiden lisäksi on myös pieniä, mutta hyvin tärkeitä alueita, joilla virtaa filamentti- ja levyvirtoja (Alfvén, 1977a). Siirtämällä energiaa ja tuottamalla jyrkkiä rajoja passiivisten plasmojen eri alueiden välille niillä on ratkaiseva merkitys plasmojen kokonaiskäyttäytymiselle avaruudessa. Tällaisia alueita on kahta erilaista – mutta jossain määrin toisiinsa liittyvää – tyyppiä, joita kutsumme plasmakaapeleiksi ja rajavirtalevyiksi.”

Ideaaliset ja ei-ideaaliset plasmat

Ideaaliseksi plasmaksi kutsutaan plasmaa, jossa Coulombin törmäykset ovat merkityksettömiä, muuten plasma on ei-ideaalinen.

”Pienillä tiheyksillä matalalämpöistä, osittain ionisoitunutta plasmaa voidaan pitää ideaalisten kaasujen seoksena, jossa on elektroneja, atomeja ja ioneja. Hiukkaset liikkuvat termisillä nopeuksilla, pääasiassa suoria ratoja pitkin, ja törmäävät toisiinsa vain satunnaisesti. Toisin sanoen vapaat matka-ajat osoittautuvat suuremmiksi kuin hiukkasten välisen vuorovaikutuksen ajat. Tiheyden kasvaessa hiukkasten keskimääräiset etäisyydet pienenevät ja hiukkaset alkavat viettää entistä enemmän aikaa vuorovaikutuksessa keskenään eli ympäröivien hiukkasten kentissä. Näissä olosuhteissa hiukkasten välisen vuorovaikutuksen keskimääräinen energia kasvaa. Kun tämä energia on verrattavissa lämpöliikkeen keskimääräiseen liike-energiaan, plasmasta tulee epäideaalinen.”

High Energy Density Plasmas (HED-plasmat)