Plasmavindue: definition, virkemåde og anvendelser
Plasmavindue: hvad det er, hvordan magnetisk plasma skaber vakuumzoner og lader stråling passere — anvendelser i avanceret forskning og teknologi.
Et plasmavindue er et felt af plasma, der fylder et område i rummet. Det svarer til et kraftfelt. Området skabes ved at bruge magnetisme til at holde plasmaet på plads. Med den nuværende teknologi er dette område af rummet ret lille. Det har form som et fladt plan inde i en cylinder.
Når temperaturen stiger, bliver plasmaet tykkere. Ved en tilstrækkelig høj temperatur er plasma tykt nok til at adskille et vakuum fra normal atmosfære. Plasma forhindrer ikke stråling, som f.eks. laserstråler, i at bevæge sig igennem det. Derfor kan forskerne bruge et plasmavindue til at skabe et område med vakuum og samtidig lade stråling passere igennem det. Dette er nødvendigt, fordi visse typer stråling kun kan skabes i et vakuum, men forskerne skal bruge strålingen på ting, der findes i en normal atmosfære.
Virkemåde — hvordan et plasmavindue holder på vakuumet
Et plasmavindue fungerer ved at ionisere en gas og fastholde den ioniserede gas (plasmaet) i et afgrænset rum med magnetfelter. Magnetisk indespærring forhindrer plasmaet i at sprede sig ud i omgivelserne, og plasmaets indre tryk og viskositet skaber en barriere mod neutral gas fra atmosfæren. Når plasmaet opvarmes, stiger antallet af frie elektroner og ioner, hvilket øger densiteten og dermed evnen til at modstå indtrængning af neutralt gas fra atmosfæren.
Det er vigtigt at forstå, at plasmaet ikke er en solid mur: det påvirker bevægelsen af partikler meget stærkt, men lader ofte elektromagnetisk stråling passere. I praksis betyder det, at synligt lys, mange lasertyper og højfrekvent stråling kan gå igennem, mens lavfrekvente radiobølger eller bølgelængder under plasmaets karakteristiske frekvens kan blive reflekteret eller absorberet. Derfor kan et plasmavindue bruges som »gennemsigtigt« vakuumvindue for bestemte typer stråling.
Anvendelser
- Udbringning af partikel- og elektronstråler: Tillader at stråler, der genereres i vakuum (f.eks. i acceleratorer eller elektronkanoner), kan rettes mod mål i atmosfærisk tryk uden at bryde vakuummet i kilden.
- Materialebearbejdning og fremstilling: Muliggør processtråling (lasere, elektronstråler) i åbent luft til svejsning, skæring eller overfladebehandling uden kompleks mekanisk vakuumoverførsel.
- Instrumentering og forskning: Bruges i eksperimenter, hvor man skal kombinere kilde i vakuum med prøver i luft, f.eks. i nogle typer spektroskopi og lyskildesystemer.
- Industrielle og medicinske applikationer: Potentiale til anvendelser, hvor man ønsker at levere energirige stråler fra et vakuumsystem til objekter i atmosfære, men teknologien er stadig specialiseret og energikrævende.
Fordele og begrænsninger
- Fordele: Muliggør direkte overførsel af stråling fra vakuum til atmosfære uden mekaniske glasvinduer eller komplekse porte; kan give høj renhed for stråler; fleksibilitet i forsøg og procesopbygning.
- Begrænsninger: Kræver betydelig energitilførsel for at opretholde plasmaet; størrelsen af åbningen er i praksis lille; varme- og magnetfelthåndtering er teknisk krævende; ikke absolut tætsluttende på lang sigt mod molekylær diffusion uden supplerende pumper.
Fremtidsperspektiver
Forskning arbejder på at gøre plasmavinduer mere effektive, robuste og større, så de kan bruges mere bredt. Mulige forbedringer omfatter bedre magnetfeltdesign, optimeret gasindsprøjtning og kombination med konventionel vakuumpumpning for at reducere energiforbruget. Hvis teknologien modnes, kan plasmavinduer åbne for nye industrielle processer og gøre det lettere at kombinere højpåvirkningskilder i vakuum med applikationer i atmosfærisk miljø.
Bemærk: Selvom begrebet kan virke futuristisk, er plasmavinduer allerede blevet demonstreret i laboratorier og specialiserede anlæg. Begrænsningerne gør dog, at de i dag primært anvendes i forsknings- og nicheindustrier frem for i bred kommerciel skala.
Historie
Plasmavinduet blev skabt på Brookhaven National Laboratory af Ady Hershcovitch. Det blev patenteret i 1995. Blandt andre kreationer, der anvender samme idé som plasmavinduet, kan nævnes Plasmaventilen.
Plasmaventil
Plasmaventilen er forbundet med et plasmavindue. Den blev skabt et år efter plasmavinduet. Plasmaventilen er et lag af gas inde i en særlig skal. En ring omkring skallen holder et vakuum. Et brud i ringen kan være meget slemt, men teknologien gør det muligt for forskerne at slukke for maskinen i tide, før der sker noget.
Egenskaber
Et plasmavindue skabes normalt ved temperaturer på 15.000 kelvin. Den eneste begrænsning for vinduets størrelse er den energimængde, der er nødvendig for at skabe det. Et vindue har brug for 20 kW energi for hver tomme i størrelse.
Plasmavinduer vil lyse i forskellige farver afhængigt af den gas, der er brugt til at skabe plasmaet.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er et plasmavindue?
A: Et plasmavindue er et felt af plasma, der udfylder et område i rummet, som skabes ved at bruge magnetisme til at holde plasmaet på plads.
Q: Hvordan skabes rumområdet i et plasmavindue?
A: Rumområdet i et plasmavindue skabes ved at bruge magnetisme til at holde plasmaet på plads.
Q: Hvor tykt kan plasma blive, når det stiger i temperatur?
A: Plasma kan blive tykkere, når temperaturen stiger.
Q: Hvad er formen på rumområdet i et plasmavindue?
A: Rumområdet i et plasmavindue har form som et fladt plan inde i en cylinder.
Q: Kan stråling som f.eks. lasere bevæge sig gennem plasmavinduet?
A: Ja, stråling som f.eks. lasere kan bevæge sig gennem plasmavinduet.
Q: Hvorfor har forskere brug for et plasmavindue?
A: Forskere har brug for et plasmavindue til at skabe et område med vakuum, mens de stadig lader stråling bevæge sig igennem det, da visse typer stråling kun kan skabes i et vakuum, men de skal bruges på ting, der findes i en normal atmosfære.
Q: Stopper plasma stråling fra at bevæge sig igennem det?
A: Plasma forhindrer ikke stråling, som f.eks. lasere, i at bevæge sig igennem det.
Søge