Luận văn Nghiên cứu quang phổ phát xạ của plasma ở áp suất khí quyển

ác với plasma nhiệt nói chung. Có thể kể đến những đặc điểm của plasma nhiệt áp suất khí quyển: Độ ion hóa không phải lúc nào cũng đạt 100 % như chuẩn plasma ion hóa hoàn toàn. Nhìn chung, độ ion hóa của plasma nhiệt áp suất khí quyển chỉ tiệm cận mức ion hóa hoàn toàn [29]. Mật độ điện tử thấp so với một số plasma nhiệt áp suất cao. Ví dụ mật độ điện tử khoảng 1018 m-3 đối với hồ quang ở áp suất thấp [29]. Tuy nhiên, mật độ điện tử đủ lớn để làm giảm điện trở suất của plasma nhiệt áp suất khí quyển. Mật độ điện tử đủ lớn sẽ tạo điều kiện cho quá trình cân bằng nhiệt động diễn ra nhanh do xác suất va chạm giữa các hạt cao. 15 Điều kiện cần thiết để tạo thành plasma nhiệt là áp suất làm việc phải đủ lớn, thường là trên 10 kPa [3]. Áp suất cao tạo điều kiện cho một số lượng rất lớn va chạm giữa các phần tử, dẫn đến sự phân phối lại năng lượng để plasma trở về trạng thái cân bằng nhiệt động nhanh chóng. Plasma nhiệt áp suất khí quyển có thể hình thành ngay ở áp suất thường bằng áp suất khí quyển vào khoảng 101325 Pa (1.01325 bar), tương đương 760 mmHg (Torr) [29], ví dụ như tia sét. Plasma nhiệt ở áp suất khí quyển có nhiệt độ điện tử cao, tỏa sáng và tỏa nhiệt mạnh, ví dụ như hồ quang điện. Trong khối plasma nhiệt áp suất khí quyển vẫn có thể tồn tại các hạt trung hòa về điện với tỉ lệ thấp. Plasma nhiệt áp suất khí quyển có thời gian tồn tại không dài. Nguyên nhân chính là do hiện tượng tái hợp ion giữa electron và ion dương và hiện tượng khuếch tán ion ra xung quanh diễn ra nhanh. Một nguyên nhân phụ là sự suy giảm năng lượng do va chạm với các hạt trung tính khác trong môi trường và bị chúng hấp thụ năng lượng [29, 1]. Plasma nhiệt áp suất khí quyển tiêu biểu là sét và hồ quang. Hình 1.14. Tia sét là plasma nhiệt áp suất khí quyển Hình 1.15. Hồ quang điện là plasma nhiệt áp suất khí quyển Trong tương lai plasma nhiệt áp suất khí quyển sẽ được ứng dụng rất nhiều trong những nhà máy điện không cần tuabin, những động cơ plasma, những lĩnh vực công nghiệp chế tạo. Tuy nhiên, plasma nhiệt áp suất khí quyển với những tính chất mới mẻ và bí mật còn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học. Do hiểu biết về những gì xảy ra trong plasma nhiệt còn chưa đầy đủ, nên việc ứng dụng mới đạt được ở mức độ 16 phòng thí nghiệm và một số ít lĩnh vực sản xuất. Công nghệ plasma nhiệt áp suất khí quyển hiện nay chủ yếu bao gồm hồ quang điện, máy cắt plasma và plasma xung phóng điện. 1.2.4. Plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt động học cục bộ (non- LTE) Ở áp suất khí quyển, plasma phi nhiệt hay plasma không cân bằng nhiệt động mang những đặc điểm cơ bản của plasma phi nhiệt. Tuy nhiên do điều kiện tạo thành khác biệt nên nó cũng có những đặc trưng riêng. Có thể kể đến một số điểm nổi bật của plasma phi nhiệt ở áp suất khí quyển như sau: Plasma phi nhiệt áp suất khí quyển có độ ion hóa thấp dưới 10 %. Đặc biệt plasma loãng có độ ion hóa chỉ vào khoảng 10-6. Vì vậy plasma phi nhiệt áp suất khí quyển là plasma ion hóa yếu [29]. Do độ ion hóa yếu dẫn tới mật độ điện tử trong plasma loại này thấp dưới 109 m- 3. Đó là nguyên nhân xác xuất va chạm giữa điện tử và các hạt còn lại thấp dẫn tới sự trao đổi năng lượng diễn ra không mạnh mẽ. Đây là nguyên nhân chính dẫn tới sự không cân bằng nhiệt động giữa điện tử và các hạt còn lại [29]. Áp suất làm việc dưới 10 kPa. Áp suất này để hạn chế sự va chạm giữa các hạt trong hệ nhiệt động. Nhiệt độ của plasma loại này thấp dẫn tới tỏa nhiệt và tỏa sáng yếu, ví dụ như plasma jet trình bày ở chương sau. Vì những lý do trên plasma phi nhiệt áp suất khí quyển ít gây ảnh hưởng xấu tới môi trường xung quanh. 17 Hình 1.16. Plasma lạnh là một dạng plasma phi nhiệt áp suất khí quyển [29] 1.3. Ứng dụng của plasma lạnh ở áp suất khí quyển Trong y học, plasma lạnh ở áp suất khí quyển cho phép sinh ra một nồng độ rất cao các hoạt chất hóa học trong khi vẫn giữ nhiệt độ phòng [1]. Nó xác định những ứng dụng thích hợp của plasma phi nhiệt thường là cơ chế chống đông máu và sửa chữa các thành phần và tính chất của máu, khử trùng da và các mô sống khác; khử trùng các dụng cụ y tế và các vật liệu và thiết bị dễ vỡ; xử lý polymer sinh học; kĩ thuật mô; và chữa lành vết thương và các bệnh mà trước đây điều trị chưa có hiệu quả. Cuối những năm 1960, plasma lạnh được quan tâm nghiên cứu ứng dụng như một công cụ tạo ra các vật liệu có bề mặt đã xử lý có tính hòa hợp sinh học cao. Công nghệ plasma ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe hiện nay tương đối phát triển. Nhiều công nghệ triển vọng và nhiều loại bề mặt biến tính đã tạo nên các vật liệu rất mới trong y sinh, trong đó không ít loại đã được thương mại hóa, ví dụ chất liệu của răng cấy đã được biến tính phủ bề mặt để răng cấy hòa hợp với các chất dịch cơ thể như nước bọt và dịch của mô [29]. Một số ví dụ khác về các sản phẩm của công nghệ plasma trong lĩnh vực y sinh bao gồm các loại bề mặt được chức năng hóa nhằm nâng cao khả năng bám dính cho tế bào sống, các lớp phủ chống bám bẩn nhằm ức chế hoàn toàn sự bám của các phân tử sinh học, tế bào, vi khuẩn không mong muốn..., các lớp lót để cố định peptit, enzym, kháng sinh và các loại phân tử sinh học khác. Việc điều trị trực tiếp plasma, có nghĩa là sử dụng chùm plasma trực tiếp lên mô sống. Plasma lạnh trong không khí ở áp suất khí quyển để xử lý với động vật sống và con người đòi hỏi chặt chẽ về biện pháp an toàn. Để giải quyết hiệu quả những vấn đề này cũng là một thách thức quan trọng đối với plasma y khoa [1]. 18 Hình 1.17. Ứng dụng plasma lạnh trong điều trị vết thương ngoài da Plasma nói chung có các hạt điện tích có năng lượng cao và các điện tử tự do [29]. Con người đã sử dụng những đặc điểm này vào trong công nghiệp. Kỹ thuật plasma lạnh ở áp suất thường và áp suất thấp mới được ứng dụng trong giai đoạn gần đây trong gia công, trong xử lý làm biến tính bề mặt vật liệu. Những ứng dụng quan trọng mang tính kinh tế cao như chế tạo vi mạch điện tử đã và đang là động lực để phát triển ngành công nghiệp chế tạo các thiết bị điện tử kỹ thuật số. Plasma lạnh được ứng dụng vào trong kỹ thuật chế tạo các bộ phận của ô tô. Hình 1.18. Ứng dụng plasma trong chế tạo các bộ phận ô tô Polyme có nhiều tính chất rất tốt nhưng polyme lại có đặc trưng là có năng lượng bề mặt thấp [1]. Đó là nguyên nhân vì sao chất lỏng lại tạo thành giọt trên bề mặt polyme 19 thay vì thấm ướt và cũng là nguyên nhân khiến các lớp mỏng phủ lên bề mặt polyme bám dính rất kém. Nhưng nếu bề mặt polyme dược hoạt hóa và chức năng hóa bằng cách đặt vào một môi trường plasma thích hợp, năng lượng bề mặt sẽ tăng lên và nhược điểm trên có thể giải quyết được [37]. Nguyên lý trên có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp để mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao tính chất của các sản phẩm chất dẻo, ví dụ trong các lĩnh vực bao bì, chăm sóc sức khoẻ, dệt may... Trong lĩnh vực dệt may, sử dụng công nghệ plasma thay thế cho phương pháp xử lý hóa học ướt độc hại để xử lý vải dệt có thể giúp tạo thành bề mặt vải không thấm nước, thấm dầu, giữ cho vải sạch, đồng thời tránh đựợc vấn đề ô nhiễm môi trường [38]. Trong trường hợp sợi xenlulo, ví dụ như sợi cotton, hoặc màng polyetylen, xử lý bề mặt bằng plasma oxy có thể nâng cao một cách cơ bản độ thấm phủ, tạo điều kiện cho phân tử thuốc nhuộm hoặc mực in bám dính tốt hơn lên bề mặt. Hình 1.19. Ảnh SEM của polypropylen ban đầu (a) và sau khi xử lý plasma 1 phút (b); 3 phút (c); 5 phút (d); 7 phút (e) [1]. Với tiềm năng đa dạng chưa được nghiên cứu hết, các nhà khoa học đặt rất nhiều hi vọng vào plasma lạnh trong việc ứng dụng vào đa lĩnh vực trong tương lai, phục vụ cuộc sống con người. CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 20 2.1. Giới thiệu về nguồn phát plasma ở áp suất khí quyển Trong phần này, tôi xin giới thiệu một thiết bị plasma jet PlasmaMed-01T. Đây là nguồn phát plasma ở áp suất khí quyển đang được sử dụng phục vụ công tác nghiên cứu khoa học tại Phòng Vật lý Plasma thuộc Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đây là nguồn plasma đã được sử dụng trong luận văn này. Hình 2.1. Thiết bị plasma jet PlasmaMed-01T [30] 2.1.1. Nguyên tắc hoạt động chung Thiết bị plasma jet này hoạt động dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quang trượt. Hồ quang trượt là hiện tượng phóng điện tự dao động định kì giữa cặp điện cực phân kì đặt chìm trong dòng khí. Plasma bắt đầu được hình thành ở nơi có khoảng cách giữa hai điện cực gần nhất tạo thành một cột plasma. Cột plasma này bị kéo dài ra bởi dòng khí thổi qua hướng đến phần hạ lưu phân kì. Vùng ánh sáng hồ quang của cột plasma giãn ra cùng với sự gia tăng của khoảng cách giữa các điện cực cho đến khi nó bị dập tắt. Nhưng plasma lại tự 21 tái tạo ở vị trí có khoảng cách gần nhất giữa hai điện cực để bắt đầu một chu kì mới [30]. Plasma hồ quang trượt có thể là nhiệt hoặc phi nhiệt, tùy thuộc vào năng lượng và tốc độ dòng khí. Hình 2.2. Minh họa (a) và ảnh chụp sự phóng điện hồ quang trượt (b) Plasma hồ quang trượt cũng có thể vận hành trong chế độ chuyển tiếp cụ thể khi bắt đầu phóng điện thì là plasma nhiệt nhưng cùng với sự vận động của thời gian và không gian lại trở thành sự phóng điện phi nhiệt [1]. 2.1.2. Cấu tạo a) Khối điều khiển và hiển thị bao gồm: - Bộ điều khiển trung tâm (PLC): Bộ điều khiển nhận lệnh từ màn hình cảm ứng và pê-đan để điều khiển hai rơ-le. Ngoài ra bộ điều khiển này còn nhận lệnh từ sensor áp suất để ra quyết định có tiếp tục hoạt động hay dừng. - Màn hình cảm ứng: Hiển thị trạng thái làm việc từ bộ điều khiển trung tâm và ra lệnh cho bộ điều khiển trung tâm làm việc. - Hai rơ-le: điều khiển hoạt động của nguồn cao áp và van điện từ. - Pê-đan: có tác dụng như một công tắc đóng mở hệ thống. Khi đạp pê-đan lần thứ nhất thì máy sẽ bắt đầu phát tia plasma, khi đạp pê-đan lần hai thì máy ngừng phát tia plasma. 22 Hình 2.3. Sơ đồ khối cấu tạo của plasma jet hồ quang trượt, lạnh b) Nguồn nuôi plasma Nguồn điện nuôi plasma là một nguồn cao áp có cấu tạo là một máy biến thế cao áp để biến đầu vào xoay chiều 220 V thành dòng điện xoay chiều 2 kV. Với cách mắc như thế này thì công suất của nguồn hơi lớn dẫn tới nhiệt độ của đầu phun plasma vượt ngưỡng nhiệt độ phòng. Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý nguồn điện nuôi công suất nhỏ Mục tiêu đề ra của thiết bị là phát ra plasma lạnh áp suất khí quyển có nhiệt độ vào khoảng nhiệt độ phòng. Từ đó một vấn đề phát sinh lúc này là làm thế nào để giảm công suất của nguồn. Để giải quyết vấn đề này, ta lắp thêm vào đầu ra của biến áp một đi-ốt cao áp và một tụ điện cao áp. Khi đó đầu ra của nguồn sẽ là dòng điện một chiều biến thiên và có giá trị thế tối đa là 4 kV. 23 Đầu ra 4 kV của nguồn điện sẽ được nối vào hai điện cực của đầu phun plasma kết hợp với dòng khí thổi qua tạo thành tia plasma hồ quang trượt, lạnh [30]. c) Nguồn khí duy trì dòng plasma Để có thể tạo ra và duy trì tia plasma cần phải có nguồn khí. Khí để duy trì plasma trong thiết bị này là khí Ar được đựng trong bình có thể tích 8 lít và áp suất là 150 atm. Khí từ bình khí đi qua một van giảm áp để giảm áp suất giảm xuống còn 2 – 7 atm và trước khi đến van điều áp để điều chỉnh tốc độ dòng khí tối đa ở 10 lít/ phút khí sẽ đi qua 1 sensor áp suất nếu áp suất dòng khí nhỏ hơn 2 atm thì ngay lập tức sensor sẽ gửi cảnh báo đến PLC. PLC nhận cảnh báo và điều khiển 2 rơle ngắt toàn bộ hệ thống đồng thời hiển thị cảnh báo trên màn hình LCD. Khi đó phải điều chỉnh để áp suất dòng khí ở mức cho phép máy mới hoạt động trở lại. Khí tiếp tục đi qua van điện từ, van này được đóng mở bởi 1 trong 2 rơle được điều khiển bởi PLC, và đi đến đầu phun. Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nguồn khí d) Đầu phát chùm tia plasma hồ quang trượt, lạnh Đầu phát tia plasma là một buồng plasma trong đó tốc độ dòng khí lớn khi khoảng cách giữa hai điện cực nhỏ và tốc độ dòng khí nhỏ lại khi khoảng cách giữa hai điện cực tăng lên. Đầu phun plasma với buồng plasma có dạng hình phễu dẹt, với tiết diện của phễu nhỏ nhất ở nơi có khoảng cách giữa hai điện cực gần nhất sau đó mở rộng ra cùng với độ mở rộng khoảng cách giữa hai điện cực. Dòng khí Ar qua nó hoạt động theo 24 nguyên lý Bernoulli, tốc độ dòng khí Ar chảy trong ống tỉ lệ nghịch với tiết diện của ống. Vì vậy, khi plasma được hình thành tại vị trí mà khoảng cách giữa hai điện cực gần nhất nó được đẩy đi với vận tốc dòng khí lớn khiến cho plasma không thể nóng lên nhiều [1]. Khi plasma trượt đến vị trí có khoảng cách giữa hai điện cực lớn hơn thì tốc độ dòng khí cũng giảm xuống nên việc duy trì plasma trở nên dễ dàng hơn và nó có thể tồn tại ở những vị trí với khoảng cách giữa hai điện cực rất lớn. Hình 2.6. Mặt cắt dọc của đầu phát chùm tia plasma Để tạo được tia plasma dài thoát ra khỏi buồng plasma, buồng plasma có hai gờ dẫn hướng ở mặt trong của thành buồng plasma và ở khoảng giữa hai điện cực. Nhờ hai gờ dẫn hướng, tốc độ dòng khí ở khoảng giữa sẽ cao hơn bên ngoài, tia plasma sẽ được đẩy nhanh thoát ra ngoài. Khi đó plasma không còn ở dạng hình cung gần tròn mà có dạng tia dài. Buồng plasma còn có một mũ chụp với khẩu độ nhỏ ở chính giữa của buồng plasma. Với mũ chụp này, dòng khí được ưu tiên chảy ở khoảng giữa hai điện cực, do đó tốc độ dòng khí ở vùng giữa cũng lớn hơn khiến cho tia plasma cũng được uốn cong 25 hơn ở đây [30]. Khẩu độ của mũ chụp có thể thay đổi để giúp định dạng tia plasma thoát ra ngoài, to, nhỏ, ngắn, dài theo ý muốn khi thay đổi hình dạng và kích thước của khẩu độ mũ chụp. Hình 2.7. Mũ chụp có thể thay đổi khẩu độ Nguồn plasma này hoạt động rất ổn định, vận hành dễ dàng. Qua thực nghiệm thì độ dài cột plasma khoảng 1,2 cm đến 2 cm tùy theo thay đổi tốc độ dòng khí [30]. Hình 2.8. Chùm plasma phát ra từ nguồn plasma Med – 01T Máy plasma Med là thiết bị do Phòng Vật lý Plasma – Viện Vật lý thiết kế chế tạo, được nghiệm thu và trong quá trình sử dụng tại phòng Vật lý plasma đã cho thấy rằng plasma phát ra từ nguồn này phù hợp với yêu cầu đối với plasma áp suất khí quyển [30]. 26 2.2. Máy quang phổ Phổ phát xạ của plasma được đo bởi máy quang phổ sợi quang học AvaSpec của hãng Avantes có độ phân giải dưới 1 nm. Nó có khả năng thu thập, phân tích ánh sáng và cho quang phổ kèm theo thông tin về bước sóng ánh sáng, cường độ ánh sáng... Hình 2.9. Máy quang phổ Avantes AvaSpec [35] Về cấu tạo máy quang phổ AvaSpec gồm các bộ phận chính: Hình 2.10. Các bộ phận chính của máy quang phổ Avantes [35] - Đầu thu (đầu dò) CCD (Vị trí số 1) - Cổng kết nối với sợi quang (Vị trí số 2) - Cách tử (Vị trí số 3) - Gương phản xạ có chức năng chuẩn trực chùm sáng (Vị trí số 6) - Gương hội tụ (Vị trí số 7) 27 - Bộ lọc (Vị trí 11) Máy quang phổ AvaSpec hoạt động tương tự như nhiều máy quang phổ khác. Ánh sáng phát ra từ chùm plasma theo sợi quang đi vào cổng kết nối của máy quang phổ. Tín hiệu quang từ cổng kết nối dưới dạng chùm sáng hỗn hợp sẽ đi tới gương phản xạ. Sau khi phản xạ ánh sáng được chuẩn trực thành chùm sáng song song và đi vào cách tử. Sau khi phản xạ trên cách tử ánh sáng bị tán sắc. Toàn bộ chùm sáng tán sắc này đi tới một gương cầu lõm để hội tụ các tia sáng có cùng bước sóng lại với nhau. Các chùm tia sáng này được thu bởi đầu thu CCD. Tại vị trí đầu thu các đi-ốt quang biến năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện. Điện áp này được nạp vào trong các tụ điện. Sau một khoảng thời gian nạp thì các mạch được đóng lại chuyển năng lượng sang thanh ghi. Sau đó dữ liệu từ thanh ghi chuyển sang bộ chuyển đổi A/D và được thu thập để phân tích bằng hệ thống máy tính kết nối phần mềm phân tích. Hình 2.11. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của đầu thu tín hiệu quang công nghệ CCD được ứng dụng trong máy Avantes AvaSpec Phần mềm phân tích phổ AvaSoft đi kèm sẽ thu thập và xử lý thông tin, sau đó vẽ phổ plasma. 2.3. Đo đặc trưng điện của plasma Đặc trưng thế của nguồn plasma PlasmaMed-01T được đo bằng đầu dò điện thế cao Tektronix P6015A (USA) kết nối với dao động ký Tektronix TDS1002B. 28 Hình 2.12. Đầu dò điện thế Tektronix Hình 2.13. Dao động ký TektronixTDS 1002B Đặc trưng dòng được đo trực tiếp thông qua đầu dò Extech TL620 kết nối với dao động ký Tektronix TDS1002B. Hình 2.14. Đầu dò dòng Extech TL620 Đo đồng thời dòng và thế của nguồn plasma bằng sơ đồ dưới đây. 29 Hình 2.15. Sơ đồ đo đặc trưng điện (thế và dòng) của plasma 2.4. Đo phổ phát xạ của plasma 2.4.1. Lắp đặt hệ đo Để tiến hành đo đạc thu quang phổ phát xạ của plasma áp suất khi quyển, hệ đo được lắp đặt theo sơ đồ sau: Hình 2.16. Sơ đồ lắp đặt hệ đo phổ phát xạ của plasma 30 Hình 2.17. Hệ đo đã được lắp đặt xong Sau khi lắp đặt hệ đo, tiến hành đo thử để kiểm tra hoạt động của hệ đo đã ổn định chưa. - Bật máy tính, chạy phần mềm Avaspec. Để ở chế độ sẵn sàng đo, chọn chức năng ghi tự động. - Bật nguồn máy quang phổ AvaSpec. Hình 2.18. Chạy phần mềm AvaSoft dành cho máy quang phổ AvaSpec 31 - Kiểm tra hoạt động của hệ đo khi chưa bật nguồn plasma. Lúc này đầu đo sẽ thu được ánh sáng trắng khuếch tán vào trong phòng. Máy tính thu được quang phổ của ánh sáng trắng từ đèn huỳnh quang (dài 1,2 m) với bước sóng từ khoảng 380 nm đến khoảng 760 nm. Hình 2.19. Đo thử phổ ánh sáng trắng Hình 2.20. Đo thử phổ phát xạ của plasma - Bật nguồn plasma. Máy tính thu được quang phổ gồm một dải quang phổ rộng gồm nhiều đỉnh có cường độ cao chính là quang phổ của plasma. - Thay đổi vị trí sợi quang từ đồng trục với cột plasma thành vuông góc với cột plasma và đo thử lại để kiểm tra độ nhạy của đầu đo. Hình 2.21. Sợi quang vuông góc với cột plasma 32 Qua kiểm tra hoạt động thử có thể thấy hệ đo đã hoạt động tốt và ổn định sau nhiều lần đo thử khác nhau. Độ phân giải của máy tuy chưa cao bằng các hệ máy quang phổ cao cấp nhưng cũng cho kết quả đáng tin cậy trong việc phân tích ánh sáng có cấu tạo không quá phức tạp. 2.4.2. Phương pháp quang phổ phát xạ quang OES Trong điều kiện bình thường khi chưa có yếu tố kích thích thì nguyên tử có mức năng lượng thấp nhất E0 và không hấp thụ cũng như không bức xạ photon. Trạng thái này gọi là trạng thái cơ bản. Nhưng nếu có sự cung cấp năng lượng dưới một dạng nào đó (ví dụ: nhiệt, điện, vi sóng, quang) thì trạng thái cơ bản có thể bị phá vỡ. Năng lượng nhận được từ nguồn cung cấp bên ngoài sẽ giúp cho electron hóa trị chuyển lên quỹ đạo dừng cao hơn, tương ứng khi đó nguyên tử bị kích thích và ở một trạng thái có năng lượng lớn hơn trạng thái cơ bản E0. Đối với nguồn plasma giới thiệu ở phần trên, các hạt trung hòa trong dòng khí bị kích thích và ion hóa bởi điện trường giữa hai điện cực khi dòng khí đi qua không gian điện trường này. Bên cạnh đó sự va chạm giữa các phân tử trung hòa với các hạt tải điện xuất hiện trước đó cũng là một nguyên nhân trực tiếp làm gia tăng số lượng các hạt bị kích thích [29]. Tuy nhiên, trạng thái nguyên tử kích thích không tồn lại lâu vì đây là trạng thái kém bền vững. Nguyên tử chỉ tồn tại trong trạng thái kích thích trong khoảng 810 giây. Sau đó nguyên tử trong trạng thái kích thích có mức năng lượng cao nhanh chóng chuyển xuống trạng thái dừng có mức năng lượng thấp hơn để bền vững hơn đồng thời phát xạ ra một photon có tần số f và bước sóng  tương ứng với mức dịch chuyển năng lượng từ cao xuống thấp. Năng lượng của photon phát xạ ra: 0 . .n h c E E E h f       (2.1) Tất nhiên, không chỉ có quá trình chuyển mức năng lượng trực tiếp từ nE về ngay 0E mà còn có quá trình chuyển mức năng lượng trung gian [30]. Chính vì vậy sẽ có rất nhiều sự chuyển mức năng lượng đã được lượng tử hóa và đồng thời phát xạ ra rất nhiều photon có các tần số và bước sóng khác nhau. Ứng với mỗi tần số hay bước sóng khác nhau đó ta có một vạch phổ phát xạ. Sử dụng máy quang phổ thu chùm photon phát xạ trên, phân li và ghi lại thì ta sẽ thu được một dải phổ có bước sóng từ ngắn đến dài [36]. 33 Hình 2.22. Sự chuyển quỹ đạo dừng của điện tử và kèm theo phát ra photon Sử dụng máy quang phổ thu chùm photon phát ra này và chuyển từ tín hiệu quang (sóng điện từ) thành tín hiệu điện và tín hiệu kĩ thuật số ta thu được phổ phát xạ của nguồn phát và số liệu cần thiết. Hình 2.23. Một ví dụ về quang phổ OES thu được [31] Trong quang phổ thu được của plasma sẽ bao gồm các quang phổ vạch đặc trưng của các nguyên tử hoặc ion, quang phổ đám của một nhóm các nguyên tử hoặc ion có đặc tính tương đồng, quang phổ nền liên tục của ánh sáng trắng. Quang phổ đám và quang phổ nền có ít giá trị thông số và thường làm nhiễu thông tin. Chính vì vậy chúng ta cần loại bỏ và tập trung mối quan tâm vào quang phổ vạch. 34 2.4.3. Xác định nhiệt độ điện tử của plasma Nhiệt độ điện tử của tia plasma (nhiệt độ electron) được đo bằng cách sử dụng quang phổ phát xạ của plasma. Dựa vào quang phổ phát xạ của plasma thu được từ những lần thay đổi khoảng cách và thay đổi tốc độ dòng khí để tính toán. Chọn 4 vạch phổ đặc trưng và phân biệt rõ ràng của Argon có bước sóng lần lượt là 969.54nm, 706.72nm, 763.51nm, 772.37nm. Thông tin của các vạch phổ này được lấy từ dữ liệu NIST [32]. Bảng 2.1. Các thông số 4 vạch phổ Argon [33] Từ kết quả đo quang phổ phát xạ của plasma ta thu được bảng số liệu về bước sóng, cường độ trong đó cường độ 4 vạch phổ trên. Áp dụng phương trình [33]: . ln . .ki k e I E C A g K T     (2.2) trong đó, K = 1,38.10-23 J/K = 8,617.10-5 (eV/K) là hằng số Boltzmann. Dựa vào phương trình (2.2) và số liệu về bước sóng  , cường độ I, các hằng số kiA , kg , E và hằng số Boltzmann K ta tính được nhiệt độ electron Te. Trong phần này tôi tính toán nhiệt độ electron dựa vào các thông số kèm theo của vạch Argon 696,5431 nm. Vẽ đồ thị để đánh giá nhiệt độ electron của plasma áp suất khí quyển. Phần kết quả, xử lý số liệu và bàn luận được trình bày ở chương sau. 2.4.4. Xác định mật độ điện tử của plasma Mật độ điện tử en có thể được xác định bởi phương pháp sự mở rộng Stark của các dòng Argon. Đó là phương pháp hiệu quả và chính xác nhất để tính toán mật độ điện tử của plasma bằng cách sử dụng độ rộng Stark của phổ plasma [34]. Tuy nhiên, rất khó 35 để tách rời chiều rộng Stark khỏi mối quan hệ tuyến tính với phổ tổng hợp được tạo ra bởi một số yếu tố liên quan. Các phổ plasma được giả định là các đồ thị hàm Voigt vì chúng là sự chồng chập của các đồ thị hàm Gaussian (là hàm tổng hợp tuyến tính của sự mở rộng Doppler cộng với tham số chức năng máy đo) và các đồ thị hàm Lorentzian (là sự mở rộng Stark của các vạch Ar I, trong đó có vạch Ar 696.5431 nm) [34]. Trước tiên cần chuẩn hóa phổ plasma thu được theo hàm Voigt [20]. Từ đó tính được độ bán rộng Voigt V của vạch Ar 696,5431 nm từ đồ thị hàm Voigt. Mục tiêu của chúng tôi là tính toán độ bán rộng Lorentzian L (hay độ bán rộng của vạch Ar I 696,5431 nm tính theo sự mở rộng Stark) từ công thức do Becker-De Mos đề xuất [33] dựa trên các tính toán của Allen [34]:     2 2 1/ 2 V G S L V FWHM                  (2.3) Trong biểu thức Becker-De Mos ở trên S hay 1/ 2 là độ bán rộng của vạch Ar 696.5431 nm tính theo sự mở rộng Stark, nó bằng với độ bán rộng Lorentzian L . Đại lượng còn lại G là độ bán rộng vạch Ar 696.5431 nm theo đồ thị Gaussian tính theo công thức [20]:       2 2 2 G D A       (2.4) Với A là tham số chức năng bộ máy. Đại lượng còn lại D là độ bán rộng Doppler tính theo [20]: 7 07.16 10D T M     (2.5) Trong biểu thức (2.5) M là khối lượng của nguyên tử Ar, 0 bước sóng tại trung tâm vạch phổ tính theo o A , T là nhiệt độ điện tử tính theo K. 36 Hình 2.24. Vị trí độ bán rộng 1/ 2 (FWHM) trên một vạch phổ [11] Tính mật độ điện tử (mật độ electron) ne bằng phương pháp mở rộng Stark của vạch Argon I (696,5431 nm) theo công thức [16]: 1/ 2 eln 1.20ln[ ] + 44.2476 - 0.60ln[T ]en   (2.6) Trong đó, Te được tính ở mục 2.5 và 1/ 2  (hoặc S ) là độ bán rộng (FWHM) của vạch phổ Argon 696 nm. Thực hiện tính giá trị mật độ electron ne đối với tất cả các lần thay đổi thông số đo và lưu lại giá trị ne. Dựa trên kết quả ne thu được từ bước 2 ta vẽ đồ thị để đánh giá mật độ electron của plasma áp suất khí quyển. Phần kết quả, xử lý số liệu và bàn luận được trình bày ở chương sau. 2.4.5. Những đo đạc thực nghiệm đã thực hiện Tên phép đo Thông số điều chỉnh Thực hiện cụ thể Điều kiện làm việc Đo quang phổ phát xạ của Plasma áp Tốc độ dòng khí (lít/phút). - Lần lượt thay đổi tốc độ dòng khí từ 5 lit/phút đến 9 lít/phút. Với mỗi lần thay đổi tốc độ dòng khí R thu được một quang phổ được lưu lại - Nhiệt độ phòng điều hòa ổn định ở 25 oC. 37 suất khí quyển làm việc với khí plasma dưới dạng file RAW8, ASCII, EXCEL. - Mỗi phép đo