Plasma การประยุกต์ใช้พลาสมาในอุตสาหกรรมต่างๆ

พลาสมา (Plasma) หมายถึง ก๊าซที่อยู่สภาพแตกตัวเป็นอิออน ซึ่งถือเป็นสถานะหนึ่งของสสาร (ดังรูปด้านล่าง)โดยมีจำนวนอิเล็กตรอนและอิออนบวกในจำนวนเกือบเท่ากัน รวมทั้งประกอบด้วยอนุภาคก๊าซที่เป็นกลาง ได้แก่ โมเลกุลหรืออะตอมที่อยู่ในสภาพถูกกระตุ้นอีกด้วย ซึ่งโดยรวมแล้วจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า

รูปแสดงสถานะต่าง ๆ ของสสาร

Source: www.acxys.com, (2015)

ในจำนวนนี้ ได้มีการประยุกต์ใช้พลาสมาที่มีสภาพการแตกตัวค่อนข้างน้อยในอุตสาหกรรม ซึ่งแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดดังต่อไปนี้

(1) พลาสมาที่โดยทั่วไปจะได้จากการอาร์กในกระแสอากาศภายใต้ความดันบรรยากาศ และพลาสมาร้อนอุณหภูมิสูง (อุณหภูมิก๊าซหลายพัน-หลายหมื่น K) เช่น พลาสมาเหนี่ยวนำที่ได้จากกระแสก๊าซในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง เป็นต้น โดยทั่วไปจะใช้ในการให้ความร้อนเป็นหลักเนื่องจากมีคุณลักษณะที่มีอุณหภูมิสูงมาก เช่น การตัดโลหะ เป็นต้น

ตัวอย่างตัดโลหะด้วยพสามา

Source : www.millerwelds.com, (2015)

(2) พลาสมาอุณหภูมิต่ำที่ได้จาก Glow Discharge ในก๊าซความดันต่ำ (ไม่กี่ร้อย Pa) ซึ่งพลาสมาอุณหภูมิต่ำนี้จะใช้ในกรรมวิธีเคมี (ใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาเคมีของพลาสมา) เช่น กรรมวิธีพื้นผิวของวัตถุ ฯลฯ เป็นหลัก เนื่องจากมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมี

 ตัวอย่าง Plasma treatment

Source : www.britishplastics.co.uk, (2015)

(a) การให้ความร้อนด้วยการอาร์กของพลาสมา

เมื่อให้ความเย็นแก่รอบนอกของการอาร์กในบรรยากาศด้วยกระแสก๊าซตามทิศทางแกนแล้วนอกจากการหดตัวของอาร์กเนื่องจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Magnetic Pinch) แล้ว ยังเกิด Heat Pinch (การที่ตัวลำอาร์กเกิดการหดตัวแนวรัศมีเพื่อให้แผ่ความร้อนน้อยที่สุด) ซึ่งจะร่วมกันทำให้อาร์กหดตัวเล็กลงไปอีก ทำให้เกิดพลาสมาจากการอาร์กที่มีอุณหภูมิสูงและมีความหนาแน่น อิเล็กตรอนสูง การหดตัวของลำอาร์กจะทำให้ความหนาแน่นพลังงานเพิ่มสูงขึ้น ก๊าซจึงมีอุณหภูมิสูงถึง 5,000-30,000 K แล้วนำก๊าซนี้มาพ่นออกจาก Torch ที่ติดตั้ง Nozzle ตรงปลายเพื่อบีบให้เล็กลง ใช้เป็น Plasma flame ในการให้ความร้อนก๊าซพลาสมาจะใช้ก๊าซอะตอมคู่ เช่น อากาศ, H₂, N₂, CO₂ ฯลฯ หรือใช้ก๊าซอะตอมเดี่ยว เช่น Ar, He เป็นต้น พลาสมาจากการอาร์กเป็นตัวอย่างที่สำคัญอย่างหนึ่งของพลาสมาร้อน

รูปพลาสมาจากการอาร์ก

Sources: www.artinaid.com, (2015)

 นอกจากนี้พลาสมาร้อนยังมีพลาสมาเหนี่ยวนำที่ได้จากกระแสก๊าซในสนามแม่เหล็กความถี่สูงอีกด้วย พลาสมาร้อนเป็นแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงมาก มีคุณลักษณะดีเยี่ยมการถ่ายเทความร้อนให้แก่วัตถุดิบ และยังว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีอีกด้วย

(b) การประยุกต์ใช้พลาสมาอุณหภูมิต่ำ

การ Discharge ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบในก๊าซความดันต่ำ (โดยทั่วไปจะมีความดันไม่กี่ร้อย Pa) จะทำให้เกิดพลาสมาขึ้น เนื่องจากก๊าซจะมีอุณหภูมิต่ำโดยทั่วไปจึงเรียกว่า พลาสมาอุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ยังสามารถกำเนิดพลาสมาอุณหภูมิต่ำจากก๊าซความดันต่ำที่ได้รับคลื่นความถี่สูงหรือ คลื่นไมโครเวฟได้อีกด้วย พลาสมาความดันต่ำมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีสูงมาก จึงนำมาประยุกต์ใช้ในกรรมวิธีพื้นผิวที่ใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาเคมีเป็นหลัก เช่น Nitrogenation ของโลหะ การทำ Etching ของสารกึ่งตัวนำ การทำ Thin Film Coating ที่ผิวหน้าพลาสติก เป็นต้น

รูปการ Coating ด้วยพลาสมา

Sources: www.cirrusdesign.org, (2015)

ที่มา : คู่มือประกอบการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโสไฟฟ้า กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน

Plasma การประยุกต์ใช้พลาสมาในอุตสาหกรรมต่างๆ