تنشيط البلازما

تُعدّ التفريغات القوسية عند الضغط الجوي تفريغات كهربائية مستمرة ذاتية الاستدامة ذات تيارات كهربائية عالية، تتجاوز عادةً 1 أمبير، وقد تصل في بعض الحالات إلى 100,000 أمبير، وفولتيات منخفضة نسبيًا، تتراوح عادةً بين 10 و100 فولت. ونظرًا لارتفاع معدلات تصادم جزيئات البلازما، تكون الأقواس عند الضغط الجوي في حالة توازن حراري، حيث تتراوح درجات حرارتها بين 6,000 و12,000 درجة مئوية. ويكون معظم حجم القوس متعادلًا كهربائيًا باستثناء طبقتين رقيقتين من المصعد والمهبط، حيث توجد مجالات كهربائية قوية. وتتميز هاتان الطبقتان، اللتان تخلو عادةً من التصادمات، بانخفاض في الجهد يتراوح بين 10 و20 فولت. وتتسارع الأيونات، التي تتولد داخل طبقة المهبط، عند هذا الجهد، وتصطدم بسطح المهبط بطاقات عالية. وتؤدي هذه العملية إلى تسخين المهبط، مما يحفز انبعاث الإلكترونات الحرارية، الذي يُحافظ على تيارات التفريغ العالية. تتركز التيارات الكهربائية على سطح الكاثود في بقع سريعة الحركة يتراوح حجمها بين 1 و100 ميكرومتر. داخل هذه البقع، تصل درجة حرارة مادة الكاثود إلى 3000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تبخرها وتآكل الكاثود ببطء. ^{[ 2 ]}

تعمل تقنية القوس الكهربائي النبضي في الغلاف الجوي على تحسين استقرار القوس عند التيارات الكهربائية المنخفضة، وزيادة حجم التفريغ إلى أقصى حد، وبالتالي زيادة إنتاج الأنواع التفاعلية لتنشيط البلازما، مع تقليل حجم إلكترونيات الجهد العالي المستخدمة في تشغيلها. هذه العوامل تجعلها جذابة للغاية من الناحية الاقتصادية للتطبيقات الصناعية.

توجد طريقتان لاستخدام الأقواس الكهربائية لتنشيط الأسطح: الأقواس غير المنقولة والأقواس المنقولة. في التقنية غير المنقولة، يشكل كلا القطبين جزءًا من مصدر البلازما، ويعمل أحدهما أيضًا كفوهة غازية تُنتج تيارًا من البلازما. بعد خروج تيار البلازما من منطقة القوس، تتحد الأيونات بسرعة، تاركةً غازًا ساخنًا غنيًا بذرات ومركبات الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين النشطة كيميائيًا، ويُسمى أيضًا بالبلازما البعيدة . تتراوح درجة حرارة هذا التيار الغازي بين 200 و500 درجة مئوية. يتميز هذا الغاز بتفاعليته العالية، مما يسمح بسرعات عالية في معالجة الأسطح، حيث يكفي تلامس قصير مع الركيزة لتحقيق تأثير التنشيط. يمكن لهذا الغاز تنشيط جميع المواد، بما في ذلك البلاستيك الحساس للحرارة. علاوة على ذلك، فهو متعادل كهربائيًا وخالٍ من الجهد الكهربائي، وهو أمر بالغ الأهمية لتنشيط الإلكترونيات الحساسة.

في تقنية النقل باستخدام الأقواس الكهربائية، يؤدي الركيزة نفسها دور المهبط. في هذه الحالة، لا تتعرض الركيزة فقط للأنواع الكيميائية المتفاعلة، بل أيضًا لأيوناتها ذات طاقات تصل إلى 10-20 إلكترون فولت، ولدرجات حرارة عالية تصل إلى 3000 درجة مئوية داخل بقع المهبط، وللأشعة فوق البنفسجية. تؤدي هذه العوامل الإضافية إلى سرعات تنشيط أعلى. تُعدّ طريقة المعالجة هذه مناسبة للركائز الموصلة مثل المعادن، حيث تُقلل أكاسيد المعادن من خلال تفاعلاتها مع الهيدروجين، وتترك السطح خاليًا من الملوثات العضوية. علاوة على ذلك، تُنشئ بقع المهبط المتعددة سريعة الحركة بنية دقيقة على الركيزة، مما يُحسّن التماسك الميكانيكي للمادة اللاصقة.

تظهر التفريغات الإكليلية عند الضغط الجوي في مجالات كهربائية غير منتظمة بشدة. وتُنتج الحواف الحادة لأقطاب الجهد العالي مثل هذه المجالات في محيطها. عندما يكون المجال في الفراغ ضئيلاً - ويحدث هذا على مسافات كبيرة من الأرض الكهربائية - يمكن أن يبدأ التفريغ الإكليلي. وإلا، فقد تُحدث أقطاب الجهد العالي شرارةً مع الأرض.

اعتمادًا على قطبية قطب الجهد العالي، يُمكن التمييز بين الهالة السالبة، التي تتشكل حول المهبط، والهالة الموجبة، التي تتشكل حول المصعد. تُشبه الهالة السالبة تفريغ تاونسند ، حيث تتسارع الإلكترونات المنبعثة من المهبط في المجال الكهربائي، مُؤيِّنةً الغاز في تصادماتها مع ذراته وجزيئاته، مُحرِّرةً المزيد من الإلكترونات، وبالتالي مُحدثةً انهيارًا الإلكترونات. تشمل العمليات الثانوية انبعاث الإلكترونات من المهبط والتأين الضوئي داخل حجم الغاز. تُكوِّن الهالة السالبة بلازما مُتجانسة مُتوهجة حول الحواف الحادة للأقطاب. من ناحية أخرى، تُنتَج الإلكترونات التي تُحفِّز الانهيارات في الهالة الموجبة من خلال التأين الضوئي للغاز المُحيط بالمصعد ذي الجهد العالي. تنبعث الفوتونات في المنطقة الأكثر نشاطًا بالقرب من المصعد. ثم تنتشر انهيارات الإلكترونات باتجاه المصعد. تتكون بلازما الهالة الموجبة من العديد من الخيوط المتحركة باستمرار.

تُنتج التفريغات الإكليلية تيارات كهربائية تتراوح بين 1 و100 ميكروأمبير عند جهد عالٍ يصل إلى عدة كيلوفولت. هذه التيارات وقدرة التفريغ المقابلة لها منخفضة مقارنةً بتيارات وقدرة تفريغات القوس الكهربائي وتفريغات الحاجز العازل. مع ذلك، تكمن ميزة التفريغ الإكليلي في بساطة إلكترونيات الجهد العالي المستمر. في حين أن الشرارات الكهربائية تحدّ من الجهد العالي، وبالتالي قدرة التفريغ الإكليلي، يمكن زيادة هذه القدرة باستخدام جهد عالٍ نبضي دوري. إلا أن هذا يُعقّد نظام الجهد العالي. ^{[ 3 ]}

يحدث تفريغ الحاجز العازل بين قطبين كهربائيين يفصل بينهما عازل. وبسبب وجود هذا الحاجز، تعمل مصادر البلازما هذه فقط بفولتيات عالية جيبية أو نبضية. ولا تحد المبادئ الفيزيائية للتفريغ من نطاق تردد التشغيل. تتراوح الترددات النموذجية لمصادر الفولتية العالية ذات الحالة الصلبة الشائعة الاستخدام بين 0.05 و500 كيلوهرتز. وتنتج سعات الفولتية التي تتراوح بين 5 و20 كيلوفولت تيارات كهربائية في نطاق 10 إلى 100 مللي أمبير. وتكون قدرة تفريغ الحاجز العازل أعلى بكثير من قدرة تفريغ الهالة، ولكنها أقل مقارنةً بتفريغ القوس الكهربائي. ويتكون التفريغ عمومًا من عدة تفريغات دقيقة، مع أنه في بعض الحالات قد تتكون تفريغات منتظمة أيضًا. ^{[ 3 ]} ولزيادة انتظام التفريغ وفجوة التفريغ في حالة تفريغ الحاجز العازل بالفولتية، يمكن استخدام نظام تأيين مسبق. ^{[ 4 ]}

من أنواع تفريغ الحاجز العازل الأخرى المستخدمة في التوظيف الوظيفي نفاثات البلازما. ^{[ 5 ]} وتكون مساحة المعالجة أصغر مقارنةً بتفريغات الحاجز العازل السطحية أو الحجمية. تُعد نفاثات البلازما الدقيقة، المُنتجة في أنابيب شعرية ذات طرف قطره أقل من 1 ميكرومتر، نفاثات بلازما فائقة الدقة تعمل تحت الضغط الجوي، وقد أثبتت فعاليتها كأدوات ممتازة في معالجة وتوظيف المواد ذات الحجم الميكروي، مثل أنابيب الكربون النانوية ^{[ 6 ]} أو البوليمرات. ^{[ 7 ]}

يمكن اعتبار التفريغ الكهروإجهادي المباشر تطبيقًا تقنيًا خاصًا لتفريغ الحاجز العازل، حيث يجمع بين مولد التيار المتردد عالي الجهد، وقطب الجهد العالي، والحاجز العازل في عنصر واحد. ويتم توليد الجهد العالي باستخدام محول كهروإجهادي، حيث تعمل دائرته الثانوية أيضًا كقطب للجهد العالي. ^{[ 8 ] [ 9 ]} ونظرًا لأن المادة الكهروإجهادية للمحول، مثل زركونات تيتانات الرصاص ، غالبًا ما تكون عازلة، فإن التفريغ الكهربائي الناتج يُشابه خصائص تفريغ الحاجز العازل. بالإضافة إلى ذلك، عند تشغيله بعيدًا عن الأرض، فإنه يُنتج أيضًا تفريغات هالة على الحواف الحادة للمحول الكهروإجهادي.

بفضل مبادئها البنائية الفريدة، يُعدّ التفريغ الحاجز الكهروإجهادي مصدرًا اقتصاديًا وصغير الحجم لبلازما الحاجز العازل وبلازما الهالة. ورغم أن قدرته محدودة بحوالي 10 واط لكل وحدة، فإن انخفاض تكلفتها وصغر حجم وحداتها يسمحان بإنشاء مصفوفات كبيرة مُحسّنة لتطبيقات مُحددة.

كما تم إنشاء البلازما المناسبة لتنشيط السطح باستخدام التسخين الحثي بترددات الراديو والميكروويف، والتفريغ الشراري، والتفريغ الحاجز المقاوم ^{[ 10 ]} وأنواع مختلفة من التفريغات الدقيقة.

عند الضغط الجوي، يمنع معدل التصادم العالي بين الإلكترونات وجزيئات الغاز وصول الإلكترونات إلى طاقات عالية. تتراوح طاقات الإلكترونات عادةً حول 1 إلكترون فولت، باستثناء طبقات الأقطاب الكهربائية التي يتراوح سمكها بين 10 و30 ميكرومترًا، حيث يمكن أن تصل إلى 10-20 إلكترون فولت. نظرًا لانخفاض التيارات الكهربائية في الخيوط الفردية في تفريغات الكورونا وتفريغات الحاجز العازل، لا يصل الغاز الموجود داخل حجم التفريغ إلى حالة التوازن الحراري مع الإلكترونات، ويبقى باردًا. ترتفع درجة حرارته عادةً بمقدار بضع عشرات من الدرجات المئوية فقط فوق درجة حرارة الغرفة. من ناحية أخرى، وبسبب التيارات الكهربائية العالية في تفريغ القوس الكهربائي، يصل حجم القوس بأكمله إلى حالة التوازن الحراري مع الإلكترونات، حيث تصل درجات حرارته إلى 6000-12000 درجة مئوية. مع ذلك، بعد خروجه من حجم القوس، يبرد هذا الغاز بسرعة إلى بضع مئات من الدرجات المئوية قبل أن يلامس الركيزة.

على الرغم من أنه ليس من الصحيح الحديث عن درجات حرارة غازات الإلكترونات والأيونات غير المتوازنة، إلا أن مفهوم درجة الحرارة يوضح الظروف الفيزيائية للتفريغات، إذ تحدد درجة الحرارة متوسط ​​طاقة الجسيمات. متوسط ​​طاقة الإلكترون، البالغ 1 إلكترون فولت، والذي يتحقق عادةً داخل حجم البلازما، يساوي متوسط ​​طاقة الإلكترون عند درجات حرارة 10000 درجة مئوية. في طبقات الكاثود والأنود الرقيقة، تصل الأيونات والإلكترونات إلى متوسط ​​طاقات أعلى بعشر مرات، ما يعادل درجات حرارة 100000 درجة مئوية. في الوقت نفسه، قد يبقى الغاز الجزيئي باردًا.

بسبب طاقات التصادم العالية بين الإلكترونات والأيونات والجزيئات، يعمل حجم البلازما كمفاعل كيميائي فعال، مما يتيح إنتاجًا سريعًا لمركبات كيميائية من الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين. ومن بين هذه المركبات، تُعدّ الأنواع قصيرة العمر شديدة التفاعل هي العوامل الرئيسية لتنشيط البلازما للأسطح. وتشمل هذه الأنواع ذرات الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين، وجذور الهيدروكسيل (OH) وجذور النيتروز (ON)، والأوزون، وحمض النيتروز وحمض النيتريك، بالإضافة إلى جزيئات أخرى متنوعة في حالات إثارة شبه مستقرة. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، عندما يلامس التفريغ الركيزة مباشرةً، تقصف أيونات هذه الأنواع، بالإضافة إلى الإلكترونات ذات الطاقات العالية، السطح.

يُحفّز بلازما التفريغات الجوية أو غازاتها الناتجة، الغنية بالمواد الكيميائية شديدة التفاعل، سلسلةً من العمليات الفيزيائية والكيميائية عند ملامستها للسطح. فهي تُزيل بكفاءة الملوثات العضوية السطحية، وتُقلّل أكاسيد المعادن، وتُنشئ بنيةً دقيقةً ميكانيكيةً على السطح، وتُرسّب مجموعات كيميائية وظيفية. يُمكن تعديل جميع هذه التأثيرات باختيار أنواع التفريغ ومعاييرها والغاز المُستخدم. وتؤدي العمليات التالية إلى تنشيط السطح:

• تنظيف فائق الدقة. تعمل الأنواع الكيميائية التفاعلية على أكسدة الملوثات العضوية السطحية بكفاءة، وتحويلها إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، والتي تتبخر من السطح، تاركة إياه في حالة نظافة فائقة الدقة.
• إزالة الطبقات الحدية الضعيفة. تزيل البلازما الطبقات السطحية ذات الوزن الجزيئي الأدنى ، وفي الوقت نفسه تؤكسد الطبقة الذرية العليا للبوليمر.
• الترابط المتقاطع لجزيئات السطح. تساعد جذور الأكسجين ( والأشعة فوق البنفسجية ، إن وجدت) على كسر الروابط وتعزيز الترابط المتقاطع ثلاثي الأبعاد للجزيئات.
• اختزال أكاسيد المعادن. تُنتج تفريغات البلازما، التي تُشعل في الغاز المُشكِّل، والذي يحتوي عادةً على 5  % من الهيدروجين و95  % من النيتروجين، كميات كبيرة من أنواع الهيدروجين التفاعلية. عند ملامستها لأسطح المعادن المؤكسدة، تتفاعل هذه الأنواع مع أكاسيد المعادن، مُختزلةً إياها إلى ذرات معدنية وماء. تُعد هذه العملية فعالة بشكل خاص في الأقواس الكهربائية التي تحترق مباشرةً على سطح الركيزة، حيث تُبقي السطح نظيفًا من الأكاسيد والملوثات.
• تعديل تضاريس السطح. تعمل التفريغات الكهربائية التي تتلامس مباشرة مع الركيزة على تآكل سطحها على مستوى الميكرومتر. ينتج عن ذلك بنى مجهرية تمتلئ بالمواد اللاصقة بفعل الخاصية الشعرية ، مما يحسن التماسك الميكانيكي لهذه المواد.
• ترسيب المجموعات الكيميائية الوظيفية. تقوم الأنواع الكيميائية قصيرة العمر، المتولدة داخل حجم البلازما، بالإضافة إلى الأيونات المتولدة داخل الطبقة الرقيقة حيث يلامس التفريغ السطح، بقصف الركيزة، مما يؤدي إلى بدء سلسلة من التفاعلات الكيميائية. وتُعد تفاعلات ترسيب المجموعات الكيميائية الوظيفية على سطح الركيزة، في كثير من الحالات، الآلية الأهم لتنشيط البلازما. في حالة البلاستيك، الذي يتميز عادةً بانخفاض طاقة سطحه، تزيد مجموعات OH وON القطبية بشكل ملحوظ من طاقة السطح، مما يُحسّن قابلية ترطيب السطح بواسطة المواد اللاصقة. وعلى وجه الخصوص، يزيد هذا من قوة الالتصاق التشتتي . علاوة على ذلك، باستخدام غازات عاملة متخصصة، تُنتج أنواعًا كيميائية قادرة على تكوين روابط كيميائية قوية مع كل من سطح الركيزة والمادة اللاصقة، يُمكن تحقيق ترابط قوي جدًا بين مواد مختلفة كيميائيًا. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يعتمد توازن التفاعلات الكيميائية على سطح الركيزة على تركيب غاز البلازما، وسرعة تدفق الغاز، ودرجة الحرارة. ويتوقف تأثير العاملين الأخيرين على احتمالية حدوث التفاعل. ويمكن التمييز هنا بين نظامين: نظام الانتشار، ذو الاحتمالية العالية للتفاعل، حيث تعتمد سرعة التفاعل على سرعة تدفق الغاز فقط، دون أن تتأثر بدرجة حرارته. أما في النظام الحركي، ذو الاحتمالية المنخفضة للتفاعل، فتعتمد سرعة التفاعل بشكل كبير على درجة حرارة الغاز وفقًا لمعادلة أرهينيوس .