Plasmaikkuna – plasmakenttä, joka eristää tyhjiön ilmasta ja päästää säteilyn
Plasmaikkuna — plasmakenttä, joka eristää tyhjiön ilmasta mutta päästää säteilyn läpi. Innovatiivinen ratkaisu säteilykokeisiin, teolliseen tutkimukseen ja laboratoriotyöhön.
Plasmaikkuna on plasmakenttä, joka täyttää tietyn alueen avaruudessa. Se muistuttaa voimakenttää. Alue luodaan käyttämällä magnetismia pitämään plasma paikallaan. Nykytekniikalla tämä alue on melko pieni. Se on sylinterin sisällä olevan tasaisen tason muotoinen.
Kun plasman lämpötila nousee, se paksuuntuu. Riittävän korkeassa lämpötilassa plasma on riittävän paksu erottamaan tyhjiön normaalista ilmakehästä. Plasma ei estä säteilyä, kuten lasereita, liikkumasta sen läpi. Tämän vuoksi tutkijat voivat plasmaikkunan avulla luoda tyhjiöalueen, jonka läpi säteily pääsee kuitenkin kulkemaan. Tätä tarvitaan, koska tietynlaista säteilyä voidaan luoda vain tyhjiössä, mutta tutkijoiden on käytettävä säteilyä asioihin, joita esiintyy normaalissa ilmakehässä.
Toimintaperiaate
Plasmaikkuna muodostuu ionisoidusta kaasusta (plasmapilvestä), joka pidetään paikallaan magneettikentän ja usein myös sähkövirran avulla. Magnetismi luo konfiguraation, jossa plasman paine ja magneettikentän paine tasapainottuvat siten, että plasmaraja pysyy vakaana sylinterimäisessä kanavassa. Kanavan sisällä oleva plasma toimii eräänlaisena "seinämänä" tai rajapintana, joka estää ilman molekyylien pääsyn tyhjiöön samalla kun sähkömagneettinen säteily (esim. laser- tai röntgensäteet) voi kulkea sen läpi.
Plasman ja säteilyn vuorovaikutus riippuu säteilyn taajuudesta ja plasman ominaisuuksista. Yksinkertaistettuna plasma on läpinäkyvä sähkömagneettiselle säteilylle, jonka taajuus on suurempi kuin plasman ominaisfrekvenssi (ns. plasman taajuus). Matalataajuiset aallot voivat puolestaan heijastua tai vaimentua plasmassa.
Käyttökohteet
- Laboratoriotutkimus: mahdollistaa tyhjiössä tuotetun säteilyn tutkimisen tai hyödyntämisen normaalissa ilmakehässä ilman suoraa mekaanista ikkunaa.
- Elektroni- ja ionisuihkut: plasmaikkunaa voidaan käyttää siirtämään elektronisuihkuja tai muita varattuja partikkeleita tyhjiöstä ilmakehään.
- Materiaalikäsittely ja lasertyö: mahdollistaa esimerkiksi sähkö- tai laserkäsittelyn sellaisissa prosesseissa, jotka edellyttävät tyhjiötä tuotannon kannalta, mutta joissa kohde sijaitsee ilmassa.
- Tutkimustekniikat, joissa tarvitaan vuorovaikutusta korkeaenergisen säteilyn ja normaalin ympäristön välillä (esim. röntgen- tai UV-lähteet).
Rajoitukset ja haasteet
- Energiankulutus: plasmaikkunan ylläpito vaatii merkittävää energiamäärää plasman lämmittämiseen ja magneettikenttien tuottamiseen.
- Koko ja mittakaava: nykytekniikalla plasmaikkunat ovat yleensä pieniä, mikä rajoittaa niiden käyttöä suurikokoisissa sovelluksissa.
- Stabiilisuus: plasma voi olla altis häiriöille ja instabiliteeteille, jotka vaikeuttavat pitkää ja vakaa käyttöä.
- Rajoitettu taajuusspektri: kaikki säteilytyypit eivät läpäise plasmakerrosta; erityisesti matalampitaajuiset aallot voivat vaimentua tai heijastua.
- Jäähdytys ja materiaalikuormitus: laitteiston ympärillä tarvitaan jäähdytystä ja kestäviä rakenteita korkean lämpötilan ja säteilyn takia.
Käytännön huomioita
Plasmaikkunoiden kehitys on edennyt tutkimuslaitoksissa ja kokeellisessa käytössä, mutta ne eivät vielä korvaa perinteisiä mekaanisia ikkunoita monissa sovelluksissa. Suunnittelussa painottuvat magneettikenttien muotoilu, plasman hankinta (esim. kaasun syöttö ja ionisointi), ja järjestelmän tehokas jäähdytys sekä energiatalous.
Yhteenveto
Plasmaikkuna on käytännöllinen ratkaisu silloin, kun halutaan eristää tyhjiö ilmakehästä samalla sallien tietynlaisen säteilyn kulkea alueen läpi. Se perustuu magneettisesti pidettyyn plasmaan, jonka tiheys ja lämpötila estävät ilman tunkeutumisen tyhjiöön. Tekniset haasteet kuten energiantarve, stabiilisuus ja mittakaavarajoitukset rajaavat sen käyttöä, mutta laite tarjoaa ainutlaatuisia mahdollisuuksia erityisesti tutkimuksessa ja erikoissovelluksissa.
Historia
Plasmaikkunan loi Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa Ady Hershcovitch. Se patentoitiin vuonna 1995. Muita plasmaikkunan ideaa hyödyntäviä keksintöjä ovat muun muassa plasmaventtiili.
Plasmaventtiili
Plasmaventtiili liittyy plasmaikkunaan. Se luotiin vuosi plasmaikkunan jälkeen. Plasmaventtiili on kaasukerros erityisen kuoren sisällä. Kuoren ympärillä oleva rengas pitää yllä tyhjiötä. Rengasrikko voi olla erittäin paha, mutta tekniikan avulla tutkijat voivat sulkea koneen ajoissa ennen kuin mitään tapahtuu.
Ominaisuudet
Plasmaikkuna luodaan yleensä 15 000 kelvinin lämpötilassa. Ikkunan kokoa rajoittaa vain sen luomiseen tarvittava energiamäärä. Ikkuna tarvitsee 20 kW energiaa jokaista tuumaa kohti.
Plasmaikkunat hehkuvat eri väreissä riippuen plasman luomisessa käytetystä kaasusta.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on plasmaikkuna?
V: Plasmaikkuna on plasmakenttä, joka täyttää tilan alueen, joka on luotu käyttämällä magnetismia pitämään plasma paikallaan.
K: Miten plasmaikkunan avaruusalue luodaan?
V: Plasmaikkunan tila-alue luodaan käyttämällä magnetismia pitämään plasma paikallaan.
K: Kuinka paksuksi plasma voi muuttua lämpötilan kasvaessa?
V: Plasma voi paksuuntua lämpötilan kasvaessa.
K: Minkä muotoinen on plasmaikkunan avaruusalue?
V: Plasmaikkunan tila-alue on muodoltaan tasainen taso sylinterin sisällä.
K: Voiko säteily, kuten laserit, kulkea plasmaikkunan läpi?
V: Kyllä, säteily, kuten laserit, voi liikkua plasmaikkunan läpi.
K: Miksi tutkijat tarvitsevat plasmaikkunaa?
V: Tutkijat tarvitsevat plasmaikkunaa luodakseen tyhjiöalueen, mutta päästääkseen silti säteilyn sen läpi, koska tietyntyyppistä säteilyä voidaan luoda vain tyhjiössä, mutta sitä on käytettävä asioihin, joita esiintyy normaalissa ilmakehässä.
K: Estääkö plasma säteilyä liikkumasta sen läpi?
V: Plasma ei estä säteilyä, kuten lasereita, liikkumasta sen läpi.
Etsiä