In diesem Beitrag erhalten Sie detaillierte Informationen zur Frage „Was ist Plasma?“ in der Physik und wie der vierte Aggregatzustand der Materie in Niederdruckplasmaanlagen eingesetzt wird.
Definition Plasma – was ist das?
Plasma ist (in der Physik) ein hochenergetisches, ionisiertes Gas und der vierte Aggregatzustand der Materie, aus welche diese zu über 99 % (sichtbar) besteht. Es entsteht, wenn einem Gas so viel Energie zugeführt wird, z.B. Hitze oder elektrische Spannung, dass sich die Elektronen von den Atomen lösen (Ionisierung).
Plasma ist also ein ionisiertes Gas, bei welchem Moleküle und Atome, ihre Elektronen abgegeben haben und elektrisch leitfähig sind. Da es auf elektromagnetische Felder reagiert, ist es oft leuchtend. So sieht man Plasmaeffekte in der Natur, beispielsweise als Polarlichter oder Blitze, aber insbesondere als Sonnen bzw. Sterne.
Eine vereinfachte Darstellung zur Zusammensetzung von Plasma sehen Sie in diesem Schaubild.
Heißes Plasma und Kaltplasma
Den Unterschied einfach erklärt: Heißes Plasma ist heiß, also thermisch und Kaltplasma kalt, also nicht thermisch, weshalb der Unterschied in der Temperatur liegt.
Bei heißem Plasma befinden sich geladene Ionen, freie Elektronen und teilweise neutrale Atome, in einem extrem heißen Zustand (oft Millionen °C) und sind im thermischen Gleichgewicht.
Bei kaltem Plasma sind nur die Elektronen angeregt bzw. heiß und Ionen oder Atome haben Raumtemperatur (Umgebungstemperatur) und sind nicht im thermischen Gleichgewicht.
Niederdruckplasma einfach erklärt
Niederdruckplasma ist ein technisch erzeugtes Plasma, das nichtthermisch bzw. kalt ist und der Druck deutlich niedriger als der Erdatmosphärendruck. Man erzeugt es, indem man ein Gas in einer evakuierten Vakuumkammer, mithilfe von Energiezufuhr, in einen ionisierten Zustand versetzt. Man nennt es deshalb auch häufig Vakuumplasma.
Technische Herstellung in einer Niederdruck-Plasmaanlage
Eine Niederdruck-Plasmaanlage besteht im Wesentlichen aus einer Vakuumkammer, Vakuumpumpe, Gaszufuhrsystem, Mittel- oder Hochfrequenzgenerator und einer Elektrode. Betrieben wird sie mittels Stroms. Im ersten Schritt wird ein Werkstück in die Vakuumkammer platziert und die Vakuumpumpe saugt die Luft ab, wodurch ein Unterdruck bzw. Niederdruck entsteht.
Mithilfe von Strom wird ein elektrisches Feld erzeugt. Zwischen dem elektrischen Feld wird ein Gas bzw. Prozessgas (z.B. O₂) mit einem Druck von ca. 0,1 mbar zugeführt. Der Druckbereich liegt bei 0,1 bis 1,0 mbar. Das Gas wird durch Zuführung von Energie (i.d.R. Strom) ionisiert und ein Plasma entsteht.
Bei geringem Druck von < 100 Pa (1 mbar) wird in einer Vakuumkammer ein kaltes Plasma erzeugt. Durch das Anlegen elektromagnetischer Felder werden die in der Kammer enthaltenen Gase oder Gasgemische ionisiert und somit in den hochreaktiven Plasmazustand überführt.
Atmosphärendruckplasma einfach erklärt
Atmosphärendruckplasma (ADP) wird mithilfe von Druckluft bzw. Umgebungsdruck, technisch erzeugt und ohne Einsatz einer Vakuumkammer. Es unterscheidet sich zum Niederdruckplasma (NDP) im Wesentlichen also vom Arbeitsdruck.
Wesentliche Unterschiede in der Technik
Prozesse mit Atmosphärendruckplasma sind gut für Inline-Prozesse und haben zeitliche Vorteile gegenüber Plasma-Prozessen mit Niederdruckplasma.
NDP-Prozesse sind dafür deutlich flexibler bei der Wahl der Prozessgase, optimal für gleichmäßige und feinste Plasmabehandlungen, als auch der Bearbeitung von Werkstoffen mit komplexen 3D-Geometrien.
Mehr über Plasmaeffekte und Anwendungsgebiete von Niederdruck-Plasmaanlagen erfahren Sie in unserem Infobeitrag über unsere Plasmatechnik.
Für alle weiteren Fragen, nehmen Sie einfach Kontakt zu unserem erfahrenen Expertenteam auf.