Đo Nhiệt Độ Plasma Và Hạt Trong Phun Nhiệt Bằng Phương Pháp Quang Phổ

Giới thiệu

Phun phủ nhiệt plasma là một quá trình sử dụng trạng thái năng lượng cao của plasma để làm tan chảy và đẩy các hạt lên chất nền, tạo ra một lớp phủ chắc chắn. Kỹ thuật này có thể tạo ra nhiệt độ plasma vượt quá nhiệt độ bề mặt của Mặt trời, khoảng 5.778 K. Việc đo chính xác nhiệt độ plasma là rất quan trọng và thường đạt được thông qua quang phổ, một phương pháp phân tích ánh sáng phát ra từ plasma để xác định các đặc tính của nó. Quang phổ có thể cung cấp các bài đọc nhiệt độ chính xác và rất cần thiết để đảm bảo chất lượng và tính nhất quán của lớp phun phủ plasma.

Hình 1: Minh họa công nghệ phun phủ nhiệt.

Nguyên lý đo nhiệt độ plasma

Nguyên lý đằng sau việc sử dụng phương pháp quang phổ để đo nhiệt độ plasma dựa trên mối quan hệ giữa phổ ánh sáng phát ra và nhiệt độ của plasma. Dưới đây là bảng phân tích quy trình:

1. Cân bằng nhiệt:  Plasma trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong môi trường phòng thí nghiệm, thường ở trạng thái cân bằng nhiệt. Điều này có nghĩa là các hạt trong plasma (electron, ion và trung tính) có phân bố nhiệt độ đồng đều.

2. Phổ phát xạ: Khi plasma bị kích thích, các hạt cấu thành của nó phát ra ánh sáng ở các bước sóng cụ thể. Cường độ của ánh sáng phát ra này phụ thuộc vào nhiệt độ của plasma.

3. Phân phối Boltzmann: Sự phân bố trạng thái kích thích của các hạt trong plasma tuân theo phân phối Boltzmann. Sự phân bố này liên quan trực tiếp đến nhiệt độ của plasma.

4. Phân tích quang phổ: Bằng cách phân tích tỷ lệ cường độ của các vạch quang phổ khác nhau phát ra từ plasma, chúng ta có thể xác định sự phân bố nhiệt độ. Các trạng thái kích thích cao hơn của các hạt sẽ đông đúc hơn ở nhiệt độ cao hơn, dẫn đến cường độ lớn hơn của các vạch quang phổ tương ứng.

5. Hiệu chuẩn: Để có được các phép đo nhiệt độ chính xác, điều cần thiết là phải hiệu chuẩn máy quang phổ bằng nguồn nhiệt độ đã biết. Điều này liên quan đến việc so sánh phổ đo được của nguồn đã biết với phổ huyết tương và thiết lập mối quan hệ giữa tỷ lệ cường độ và nhiệt độ.

6. Tính toán nhiệt độ: Sau khi hiệu chuẩn hoàn tất, nhiệt độ của plasma có thể được tính toán dựa trên tỷ lệ cường độ đo được của các vạch quang phổ sử dụng phân phối Boltzmann.

Kết quả

Trong một nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã thu thập phổ phát xạ từ plasma bằng máy quang phổ và nhiệt độ plasma có thể được xác định bằng phương pháp phân phối Boltzmann nguyên tử. 

Quang phổ phát xạ quang học: Xác định nhiệt độ plasma bằng cách phân tích phổ phát xạ quang học. Nó xác định các đỉnh cụ thể tương ứng với các yếu tố khác nhau.

Phân bố Boltzmann: Sử dụng cường độ của các vạch quang phổ để tính toán nhiệt độ, giả sử cân bằng nhiệt cục bộ.

Hình 2: Phổ phát xạ quang học ở cách trục 20 mm cho ba trường hợp, (a) không phun khí, (b) phun ethanol và không khí hai pha (không khí + phun EtOH) và (c) phun không khí hai pha và huyền phù ethanol YSZ (phun khí + huyền phù YSZ EtOH)

Hình 2 cho thấy phổ phát xạ quang học ở khoảng cách trục 20 mm từ vòi phun trong ba trường hợp khác nhau:  

1. Không phun khí: Phổ cơ bản mà không có bất kỳ chất bổ sung nào.
2. Phun hỗn hợp không khí + Ethanol: Quang phổ cho thấy các đỉnh từ ethanol bị phân hủy (đỉnh C và H).
3. Phun hỗn hợp không khí + huyền phù YSZ Ethanol: Quang phổ với các đỉnh bổ sung từ zirconia ổn định yttria (đỉnh Zr và Y), cho thấy sự hiện diện của vật liệu YSZ bay hơi.

Những kết quả này nhấn mạnh cách phun khí khác nhau ảnh hưởng đến thành phần và nhiệt độ plama

Hình 3: Sự phát triển của nhiệt độ kích thích plasma đối với hai điều kiện phun plasma áp suất thấp.

Hình 3 cho thấy sự phát triển trục của nhiệt độ kích thích plasma được xác định bởi các biểu đồ Boltzmann cho hai điều kiện khác nhau: 

1. Điều kiện đầu tiên (Ar và He là khí plasma): Nhiệt độ giảm liên tục theo hướng hạ lưu, giảm xuống dưới 10.000 K ở khoảng cách trục 435 mm.
2. Điều kiện thứ hai (Ar, He và H_2 dưới dạng khí plasma): Nhiệt độ thấp hơn so với điều kiện đầu tiên do sự phân ly của các phân tử hydro (H_2→ 2H) đã tiêu thụ năng lượng.

So sánh này nhấn mạnh việc bổ sung hydro ảnh hưởng đến nhiệt độ plasma như thế nào, dẫn đến giảm nhiệt độ đáng kể hơn dọc theo hướng trục.

Bằng cách phân tích ánh sáng phát ra từ plasma, phương pháp quang phổ phát xạ cho phép xác định các loại khí và nhiệt độ của chúng. Phương pháp phân bố Boltzmann tiếp tục tinh chỉnh phép đo này bằng cách sử dụng cường độ của các vạch quang phổ để xác định nhiệt độ kích thích. Sự kết hợp các kỹ thuật này cung cấp những hiểu biết chính xác và chi tiết về các đặc tính plasma, cần thiết để tối ưu hóa quy trình phun nhiệt và đảm bảo lớp phủ chất lượng cao.

Hệ thống đo lường

Máy quang phổ Ocean SR6 là một thiết bị có độ nhạy cao được thiết kế cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm đo nhiệt độ plasma trong kỹ thuật phun nhiệt. Nó được trang bị một cảm biến CCD gồm 2048 phần tử, cho phép phân tích chi tiết thông tin quang phổ. Dải bước sóng của SR6 trải dài từ 180 đến 1100 nm, làm cho nó phù hợp để thu được phổ ánh sáng rộng và cung cấp dữ liệu có giá trị về tính chất nhiệt của plasma. Phạm vi này đặc biệt hữu ích cho quang phổ phát xạ quang học, một phương pháp thường được sử dụng để xác định nhiệt độ của các hạt trong quá trình phun nhiệt. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao của máy quang phổ đảm bảo đọc chính xác, điều này rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình phun và đảm bảo chất lượng của lớp phủ được sản xuất. Tính linh hoạt và độ chính xác của SR6 làm cho nó trở thành một công cụ có giá trị cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư làm việc để thúc đẩy lĩnh vực công nghệ phun nhiệt.

Hình 4: Máy quang phổ kế Ocean SR.

Sợi Ocean Insight UV-Vis XSR là một thành phần qcuan trọng trong việc đo nhiệt độ plasma của kỹ thuật phun nhiệt. Khả năng bao phủ dải bước sóng 180-800nm của nó cho phép phát hiện chính xác các vạch quang phổ cần thiết để xác định nhiệt độ của plasma. Phạm vi này đặc biệt hữu ích để chụp phổ ánh sáng rộng phát ra từ plasma, rất cần thiết cho các phép đo nhiệt độ chính xác. Dữ liệu được thu thập bởi sợi Ocean Insight UV-Vis có thể giúp tối ưu hóa quy trình phun nhiệt, đảm bảo chất lượng lớp phủ và độ bám dính tốt hơn. 

Hình 5: Sợi UV-VIS XSR.

Kết luận

Phun phủ nhiệt plasma, với khả năng đạt được nhiệt độ cực cao, là một kỹ thuật mạnh mẽ để tạo ra lớp phủ mạnh mẽ. Quang phổ đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này bằng cách cung cấp các phép đo nhiệt độ plasma chính xác, đảm bảo chất lượng và tính nhất quán. Phổ phát xạ cung cấp những hiểu biết chi tiết về các đặc tính plasma. Các công cụ tiên tiến như máy quang phổ Ocean SR6 và sợi UV-Vis XSR tăng cường độ chính xác của các phép đo này, tối ưu hóa quá trình phun nhiệt và cải thiện chất lượng lớp phủ. Những tiến bộ liên tục trong các công nghệ này sẽ tiếp tục tinh chỉnh và tăng cường các ứng dụng phun nhiệt.