Холодная и горячая плазма

Высокие температуры, которые часто достигаются при обработке плазмой, заставляют пользователей задуматься о безопасности процесса, особенно в случае обработки чувствительных материалов. В данной статье рассматриваются вопросы, касающиеся температуры плазмы и теплопередачи во время плазменной обработки, приведены примеры, доказывающие возможность использования плазмы там, где разогрев поверхности является критическим фактором.

Основной, казалось бы простой вопрос, но на который не так легко ответить — насколько горячая плазма?

Встречающаяся в природе плазма может достигать температуры до 10 6 эВ (1 эВ

11 600˚С) [1]. В промышленных применениях максимальные температуры составляют около 1 эВ [2]. Плазма — это высокоэнергетическое состояние и ее температура зависит от суммарной энергии её частиц (нейтральных атомов, электронов и ионов) и степени ионизации. Это дает возможность классифицировать разные типы плазмы в зависимости от их температуры, различая две основные категории: термические и не термические плазмы.

Мы не будем говорить о термической плазме, когда она полностью ионизирована и все частицы имеют одинаковую температуру. Классический пример — это солнечная корона или термоядерная плазма.

Мы рассмотрим не термическую или неравновесную плазму. Она имеет разную температуру электронов, ионов и нейтральных частиц. Таким образом, электроны могут достигать температуры 10 000˚С, в то время как большинство частиц газа значительно менее горячие или сохраняют комнатную температуру. Тем не менее, статическое измерение пламени плазмы, генерируемой системой Plasmabrush ® PB3, покажет температуру ниже 1000°С при работе с сухим сжатым воздухом в качестве плазмообразующего газа. Это пламя — передняя, видимая часть плазменной струи и, как правило, которой обрабатывается поверхность изделий.

Не термическую плазму часто называют «холодной плазмой», но этот термин следует использовать с осторожностью т.к он включает широкий спектр плазм низкого давления и плазм атмосферного давления. Температура «холодной плазмы», генерируемой системой Piezobrush ® PZ2, едва превышает температуру окружающего воздуха. Именно такие системы обеспечивают высокопроизводительную обработку изделий в промышленности.

Рис 1. Сопло А250 и статическая температура сопел А250, А350, А450 используемых в Plasmabrush ® PB3

Генератор низкотемпературной плазмы: 1 √ поток газа, 2 √ микроволновый электрод, 3 √ плазменная струя, 4 √ источник питания, 5 √ заземление, 6 √ металлический корпус, 7 √ питание, 8 √ струя плазмы.

Схема эксперимента: одну группу клеток обрабатывали плазмой однократно (А), другая группа подвергалась двукратной обработке с интервалом 48 часов (В), третья группа √ трёхкратной обработке с интервалом 24 часа (С).

Российские учёные из Московского физико-технического института (МФТИ), Объединённого института высоких температур РАН и Научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи обнаружили, что облучение клеток холодной плазмой приводит к их регенерации и "омоложению". Этот результат, считают исследователи, может быть использован при разработке курса плазменной терапии незаживающих ран.

Незаживающие раны – настоящая проблема для медиков, так как они осложняют любое даже самое успешное лечение. Например, при сахарном диабете раны возникают из-за повреждённых болезнью сосудов, при онкологии и ВИЧ — из-за подавленного иммунитета, а в пожилом возрасте причиной является низкая скорость деления клеток. Лечение таких ран обычными методами очень проблематично, а иногда просто невозможно.

Читайте также:  Saeco vienna deluxe ремонт

Оказалось, что решить проблему может холодная плазма атмосферного давления. Она представляет собой частично ионизированный газ (доля заряженных частиц в газе составляет около 1%) с температурой ниже 100 тысяч кельвинов. Её применение в области биологии и медицины стало возможным с момента появления генераторов, производящих плазму при температуре 30–40 °C.

Ранее учёными уже были выявлены бактерицидные свойства низкотемпературной плазмы и относительно высокое сопротивление клеток и тканей к её воздействию. При этом результаты плазменной обработки незаживающих ран человека варьировались от положительных до нейтральных. По результатам предыдущей работы возникла идея, что процесс заживления ран с использованием плазмы зависит от способа обработки клеток (интервала между облучениями и общего количества облучений).

Объектами исследования в данной работе являлись фибробласты (клетки соединительной ткани) и кератиноциты (клетки эпителиальной ткани). Это основные типы клеток, участвующих в раневом процессе.

Учёные заметили, что облучение плазмой не прошло безрезультатно: в образцах фибробластов, обработанных однократно (А) и двукратно (В), количество клеток увеличилось на 42,6% и 32,0%, соответственно, по сравнению с контрольной группой клеток, не подвергавшихся облучению.

Кроме того, российскими учёными не было обнаружено никаких признаков разрывов ДНК сразу после обработки плазмой. При этом наблюдалось накопление клеток в активных фазах клеточного цикла и продление фазы роста до 30 часов. То есть воздействие плазмы несло регенерационный, а не разрушающий характер.

Для группы клеток С (ежедневная обработка в течение трёх дней) пролиферация (деление) клеток уменьшилась на 29,1 % по сравнению с контрольной группой. У кератиноцитов различия в скорости пролиферации также были обнаружены, но они оказались незначительными.

Затем учёные измерили уровень старение-ассоциированной β-галактозидазы, которая считается одним из маркеров старения. С возрастом концентрация этого фермента в клетке повышается. После обработки плазмой уровень содержания этого вещества был значительно снижен, что в совокупности с продлением фазы роста может означать, что клетки фактически омоложиваются.

"Положительные данные, наблюдаемые нами после плазменной обработки, могут быть связаны с активацией механизма аутофагии клеток. Он ведёт к тому, что из клетки удаляются повреждённые органеллы, что в конечном счёте перезапускает обменные процессы в клетке", — говорит Елена Петерсен, соавтор исследования и заведующая Лаборатории клеточных и молекулярных технологий МФТИ.

В дальнейшем авторы планируют провести дополнительные исследования, чтобы понять молекулярные механизмы воздействия плазмы на клетки, а также изучить эффективность такого лечения с учётом возраста пациента.

Работа российских учёных опубликована в издании Journal of Physics D: Applied Physics.

В темноте вырывающаяся из диафрагмы светящаяся струя напоминает отточенное жало кинжала — сверкающее и холодное. Трудно поверить, что под его застывшими контурами бушуют страсти температур в несколько тысяч градусов. Это — плазма, вещество, отличное от твердого, жидкого или газообразного. Попав в поле пристального внимания исследователей позже этой привычной для нас триады, плазма получила название «четвертого состояния» вещества. Хотя по логике вещей ей следовало бы стоять в списке первой.

Плазма царит во Вселенной. Звезды и наше Солнце, газы межзвездного и межпланетного пространств — все это вещество в состоянии плазмы. На Земле же плазму приходится получать искусственно: здесьона гость, хотя гость и не такой уж редкий,— просто, сталкиваясь с нею, мы зачастую не подозреваем об этом. От газа в обычном смысле этого слова плазма отличается тем, что часть ее атомов и молекул ионизирована. Хотя общий заряд плазмы равен нулю, в ее состав наряду с нейтральными частицами входят и электрически заряженные — ионы и электроны. Строго говоря, даже при комнатной температуре газ содержит некоторое количество ионов и свободных электронов. Чем температура выше, тем интенсивнее движутся частицы, тем больше их скорость и чаще столкновения, приводящие к ионизации. С этой точки зрения и пламя спички, и электрическая дуга — все это плазма.

Читайте также:  Холодильник крафт производитель отзывы

Температуры, при которых количество ионов и свободных электронов становится заметным, для разных веществ различны. Так, пары некоторых щелочных металлов интенсивно ионизируются уже при температуре 2 000 градусов, а превратить в плазму аргон удается только при 10 000 градусов. Впрочем, даже в этом случае нет четкой границы между плазмой и просто ионизированным газом. Принято лишь условно считать, что газ превращается в плазму в в тот момент, когда начинает проявлять ее сврйсива, основное из которых — электропроводность.

Плазма — проводник. Это значит, что ее ионы и электроны не только переносят электрический заряд,— попав в магнитное поле, они начинают упорядоченно двигаться в плоскостях, перпендикулярных его силовым линиям. Последнее свойство стало своего рода уздой, с помощью которой исследователи укрощают вещество в его четвертом состоянии, пытаясь заставить служить людям. Вот уже два десятилетия физики стремятся осуществить в плазме звездную реакцию превращения водорода в гелий — управляемый термоядерный синтез.

А с недавнего времени плазма попала и в сферу интересов химической науки. Ее взаимоотношения с плазмой проще: если физикам нужны температуры во многие миллионы градусов, то химики довольствуются несколькими десятками тысяч. В литературе такую плазму называют низкотемпературной, а в обиходе — «холодной».

В своем стремлении всячески активизировать промышленные процессы химики издавна пользуются испытанным средством— высокими температурами. С этой точки зрения плазма открывала почти неисчерпаемые возможности. Правда, еще недавно считалось, что за определенным порогом высоких температур вещество ждет только разрушение: диссоциация, дезагрегация, разложение. Однако действительная картина оказалась значительно сложнее: наряду с разрушением в плазме шли процессы образования новых химических соединений. Более того: подчас эти процессы рождали «экзотические» вещества, не существующие при обычных температурах, соединения, для которых в химической терминологии даже не было общепринятых наименований, — CaCl, Al2O, SO, SiO, С3, С9, Na2, Ва2О3. Так возникла новая отрасль науки — плазмохимия.

Плазма не новичок в химии. Ее начали использовать за много десятилетий до того, как появились термины "низкотемпературная плазма" и "плазмохимия".

Давно уже раскаленные газы, ионизированные пламенем сгорающего топлива, работают в различных химических установках. Но возможности этого метода ограниченны. Дело не только в том, что в амплуа генератора плазмы пламя дает температуры практически не выше 3 000 градусов — ограничения налагает сама химическая сторона процесса: для того, чтобы создать и сохранить плазму, в зону реакции необходимо подавать топливо, присутствие продуктов сгорания которого отнюдь не всегда способствует чистоте и направленности химических превращений.

Читайте также:  Схема таймера на транзисторах

На смену пламени пришел электрический разряд: уже в начале века появились электродуговые установки для фиксации (связывания) атмосферного азота в его окислы, а позднее — и установки для крекинга (разложения) природного газа на ацетилен и другие углеводороды. Однако и эти устройства не открыли плазме дорогу в химическую индустрию: температура свободно горящей дуги оставалась практически такой же, как у пламени, а ее создание и поддержание требовали больших затрат электроэнергии. Невелик был и выход конечных продуктов. Поэтому первый метод вскоре сошел со сцены, уступив место более экономичному аммиачному способу, а второй, хотя и дожил до наших дней, широкого распространения не получил. Более того, его рентабельность подчас оплачивается специальными ухищрениями; установки работают на дешевом сырье и в то время суток, когда спрос на электроэнергию невелик. Для того, чтобы плазма получила права гражданства, нужны были иные принципы и решения, новые устройства. Таким устройством стал плазмотрон.

В ставшем уже многочисленным семействе приборов с этим названием большое распространение получили плазмотроны электродуговые. В них поступающий в рабочую камеру газ — аргон, гелий, азот или водород — превращается в плазму с помощью дугового разряда, горящего между двумя электродами). Один из этих электродов обычно выполняется из тугоплавкого металла — вольфрама, молибдена или специальных сплавов, а второй, представляющий собой узкое сопло с циркулирующей под рубашкой охлаждающей водой,— из меди. Та же электрическая дуга, температура которой еще недавно едва превосходила обычное пламя, здесь приобретала иные качества: обжатая каналом сопла и магнитным полем, она позволяла получать температуры в несколько десятков тысяч градусов.

Какой материал может выдержать атаки столь грозных температур? Практически никакой. Но в этом и нет необходимости. Как всякий проводник под током, дуга вращается в магнитном поле, и точка ее соприкосновения с медным анодом — так называемое «электродное пятно» — быстро бегает по стенкам сопла, не давая им раскалиться. Это же поле помогает справиться и с самой плазмой — с его помощью ее струю можно «отжать» от стенок камеры плазмотрона, как бы заключив в невидимую «трубу» из магнитных силовых линий. Есть и иной способ обуздания плазмы — «газовая закрутка». Ее принцип прост: плазмообразующий газ подается в камеру в виде спирального вихря, под действием центробежных сил его более тяжелая, холодная, часть устремляется к стенкам и течет вдоль них тонким изолирующим слоем.

Магнитное поле и «газовая закрутка» стали своеобразными ключами, открывшими двери в мир высоких температур при сравнительно низких требованиях к жаропрочности материалов.

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *