plasma and gaseous electronics

31
Plasma and Gaseous Electronics Group 11 Graubner, Erik; Walker, Andrew; Walters, Robert; Williams, Wesley

Upload: others

Post on 26-Dec-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma and Gaseous Electronics

Group 11Graubner, Erik; Walker, Andrew; Walters, Robert; Williams, Wesley

Page 2: Plasma and Gaseous Electronics

What is Plasma?

• Plasma is a fundamental state of matter• Plasmas account for over 99% of the visible universe.

Page 3: Plasma and Gaseous Electronics

What is Plasma?

• Plasma is composed of Ionized Atoms and free electrons.– After enough heat or other energies is applied to affect the electrical properties of the gas, it becomes a plasma.

Page 4: Plasma and Gaseous Electronics

What is Plasma?

• The interactions between the charged and neutral particles determine the properties and usefulness of the plasma

• The type of atoms and the ratio of charged and neutral particles result in a broad spectrum of plasma types, characteristics, and behaviors

Page 5: Plasma and Gaseous Electronics

What is Plasma?

• Plasma was first identified in 1879• Called Radiant Matter by Sir William Crookes• The term "plasma" was coined by Irving Langmuir in 1928.

• Based on Greek origin meaning “to mold” because it molds to the shape of its container

Page 6: Plasma and Gaseous Electronics

Physics of Plasma

Page 7: Plasma and Gaseous Electronics

Generation of Artificial Plasma

• Cathode ray tubes  • Must have an energy 

source to generate and sustain

• Current is applied across a dielectric gas

• The potential difference and electric field pull electrons to the Anode and positive charges to the Cathode 

Page 8: Plasma and Gaseous Electronics

Breakdown

• As the voltage increases the current stresses the material beyond its dielectric limit and causes electrical breakdown

• Breakdown is seen in region 3

• Dielectric Breakdown of air = 3 X 10^6 V/m

Page 9: Plasma and Gaseous Electronics

Townsend Avalanche

• This breakdown process is know as the Townsend Avalanche

• Collisions between electrons and atoms create more ions and electrons

Page 10: Plasma and Gaseous Electronics
Page 11: Plasma and Gaseous Electronics

Break Down/Avalanche

Page 12: Plasma and Gaseous Electronics

Ion creation

• Collisions between electrons and atoms create more ions and electrons

• The number of ions increase into the millions after about 20 sets of collisions

• The collisions also cause Photons to be released 

Page 13: Plasma and Gaseous Electronics

Arcing

• With high current density and ionization an electric arc occurs

• Similar to lightning  

Page 14: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma

• Resistance along the arc creates heat, this heat ionizes more atoms

• The gas gradually turns into a thermal plasma

• The plasma is said to be in thermal equilibrium at which the temperature is homogenous throughout

Page 15: Plasma and Gaseous Electronics

Applications of Plasma

Page 16: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Torch

• Plasma Spraying• Plasma Gasification• Plasma Cutting

Page 17: Plasma and Gaseous Electronics

Precision Cleaning

• Monatomic oxygen (inside oxygen plasma) at pressures above 0.1 torr is the most reactive element in the plasma and will readily combine with any organic hydrocarbon. 

• The resultant combination is water vapor, which is carried away in the vacuum stream.

Page 18: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Television

Page 19: Plasma and Gaseous Electronics

Fluorescent Lights

• Argon is typically used• Mercury Vapor is added• Two metal plates on either side: cathode and anode (both act as cathodes, though).

• Townsend Avalanche + fluorescent coating = light!

Page 20: Plasma and Gaseous Electronics

Hall Thruster

• Used in Soviet Spacecraft• Uses Hall current, electron plasma, and ions.

Page 21: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Research

Page 22: Plasma and Gaseous Electronics

Research and Prototypes

• Research into plasma is extensive and promises to have considerable technological ramifications.

• These applications of plasma are still in their infancy and as such are either purely theoretical or exist in the form of early prototypes.

Page 23: Plasma and Gaseous Electronics

Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

• Uses radio waves to ionize and heat the rocket propellant to generate plasma. This plasma is accelerated by a strong magnetic field to generate thrust.

• This engine allows for switching between high thrust/low specific impulse and low thrust/high specific impulse configurations. This kind of freedom is not available on a normal rocket unless it has multiple engines.

Page 24: Plasma and Gaseous Electronics

Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Page 25: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Antenna

Page 26: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Antenna

• The antenna consists of a hollow dielectric tube filled with a noble gas. As voltage is applied across the tube, the gas inside is ionized which generates plasma.

• The strength of the plasma antenna is its dynamism.

• Metal antennae are by nature static which limits them to certain frequencies in addition to an inability to easily vary operating parameters.

Page 27: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Antenna

• Plasma antennae can be dynamically configured and tuned to adjust various operating parameters such as frequency, direction, gain, bandwidth, and beamwidth. This versatility allows a single plasma antenna to replace multiple metal antennae.

• A plasma antenna can be turned off making it invisible to radar. Metal antennae cannot be as stealthy because they scatter incoming radar waves.

Page 28: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Antenna• Plasma antennae can simultaneously transmit and receive high‐frequency and low‐frequency signals without any interference.

• Plasma antennae are also incredibly resistant to various forms of electronic warfare.– They can be configured to be either invisible to, or immune to, high‐frequency, high‐power pulses.

– They are also resistant to signal jamming because of their dynamism.

Page 29: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Window

• A plasma window is a volume of space filled with plasma that is held in place via magnetic field.

• The viscosity of a plasma window allows it to separate gas at standard temperature and pressure from a total vacuum. Data suggests that a plasma window can separate gas at a pressure of nine atmospheres from a total vacuum.

Page 30: Plasma and Gaseous Electronics

Plasma Window

• A plasma window does not inhibit radiation in the form of electron beams or lasers from passing through.– Plasma windows allow radiation that can only be generated in a vacuum to be applied to objects in an atmosphere.

– Plasma windows make electron beam welding useful as the electron beams used dissipate when not in a vacuum.

Page 31: Plasma and Gaseous Electronics

The End….. Or is It?

• Questions?