اسپکترومتری در سیستم های پلاسما

قبل از شروع این مقاله بهتر است بدانید که پلاسما چیست و چه کاربردی دارد. پس از آن برای شما معقول‌تر به نظر می‌رسد که چرا باید یک پلاسما را مشخصه یابی کنیم. همان طور که از عنوان مقاله هم پیدا است، این مشخصه یابی به کمک اسپکترومتری انجام می‌شود. اگر شما هم از آن دسته افرادی هستید که برای دانستن محصولی که به کارتان می‌آید، عجله دارید؛ باید بگوییم که دستگاه اسپکترومتر (طیف سنج) راه چاره‌ای برای شما است. اما به شما پیشنهاد می‌کنیم تا برای کسب اطلاعات بیشتر تا انتهای این مقاله ما را همراهی کنید. در شکل زیر می‌توانید اسپکترومتر تیدا را مشاهده کنید.

تعریف پلاسما

پلاسما در واقع گازی است که در آن بخش قابل توجهی از مولکول‌ها یونیزه شده‌اند. شما در پلاسما تنوع گسترده‌ای از انواع اتم‌های برانگیخته، یون‌ها و مولکول‌ها را دارید. هم‌چنین الکترون‌های آزاد شده از اتم‌ها و یون‌ها بسیار پرانرژی هستند و می‌توانند آزادانه در سراسر پلاسما حرکت کنند. این الکترون‌های پرانرژی که در سراسر پلاسما حرکت می‌کنند؛ در اثر این “حرکت” با اتم‌ها و مولکول‌های خنثی هم برخورد می‌کنند. طبیعی است که مقداری از انرژی خود را در نتیجه این برخورد به آن‌ها منتقل می‌کنند. اتم‌ها و مولکول‌هایی که این انرژی را دریافت می‌کنند، به حالت برانگیخته می‌روند. آن‌ها بعد از مدت زمان کوتاهی به حالت اولیه خود برمی‌گردند. این اختلاف انرژی خودش را در قالب انتشار فوتون‌های نور نشان می‌دهد. رنگ نوری که این فوتون‌ها منتشر می‌کنند، به انرژی آن‌ها بستگی دارد. این انرژی، همان اختلاف انرژی بین حالت‌های برانگیخته و پایه اتم‌ها و مولکول‌های خنثی است.
وجود این ذره‌های باردار آزاد و الکترون‌ها بر خواص الکترومغناطیسی پلاسما بالک (balk) تأثیر می گذارد. موجب رسانا شدن آن‌ها شده و باعث می‌شود تا توسط میدان‌های مغناطیسی شکل داده شده و محدود شوند.
شاید برای شما این سوال پیش بیاید که چرا این مباحث باید برای شما مطرح شود. من در این مقاله تصمیم گرفتم تا این موضوع‌ها را در قسمت بعد برای شما بیان کنم تا با پارامترهای یک پلاسما آشنا شوید.
از آن جایی که تغییر گونه‌های شیمیایی موجود در پلاسما می‌تواند به طور چشمگیری بر رفتار پلاسما تأثیر بگذارد؛ تنظیم این پارامترها اهمیت پیدا می‌کند. به بیانی دیگر کنترل دقیق این پارامترها برای انجام آزمایش‌هایی قابل اعتماد، قابل تکرار و پایدار مهم است.

پارامترهای کلیدی پلاسما

به طور کلی یک پلاسما را می‌توان از نظر فشار، دما و گونه‌های شیمیایی موجود در آن مشخصه یابی کرد.
دمای پلاسما را می‌توان بر حسب کلوین اندازه گیری کرد و به صورت مستقیم با انرژی جنبشی گرمایی هر ذره مرتبط دانست. شاید برای شما جالب باشد تا بدانید که گاهی اوقات به دلیل اختلاف جرمی بین یون‌ها و الکترون‌ها، دمای موثر یون‌ها در پلاسما می‌تواند به طور قابل توجهی با الکترون‌ها متفاوت باشد.
معمولا در یک پلاسما محصور، انرژی از یون‌ها به الکترون‌ها منتقل شده و موجب افزایش دما الکترون می‌شود. انتقال انرژی از الکترون‌ها به یون‌ها و از یون‌ها به محیط، دمای یون‌ها را تعیین می‌کند.

در پلاسمای سرد، یون‌ها قبل از این که بتوانند به دمای بالا برسند؛ گرما را به سرعت به محیط اطراف خود منتقل می‌کنند.
در نتیجه بیشتر انرژی گرمایی پلاسما، در الکترون‌ها (به جای یون ها) ذخیره می‌شود و در نهایت منجر به یک دمای کلی نسبتا پایین می‌شود.
اگر پلاسما سرد با پوست شما برخورد کند، آسیبی به شما وارد نمی‌کند. به همین دلیل به راحتی در کاربردهای پزشکی و موارد حساس به حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پیشنهاد می‌کنم قبل از ادامه مطلب کمی هم در رابطه با پلاسما گرم بدانیم. در این نوع از پلاسما دمای یون به دمای الکترون نزدیک می‌شود. معمولا انرژی ذرات موجود در پلاسمای گرم برای کندگی (ablation) سطوح کافی است.
کاربرد این پلاسماها در فرآیندهای اچ کردن (etching)، پولیش، فرآیندهای لایه نشانی PVD و CVD و لایه نشانی‌های دقیق است.
پیشرفت های اخیر در فناوری پلاسما موجب افزایش کاربرد پلاسما در فشار اتمسفر شده است که بیان جزئیات آن، موضوع این مقاله نیست.
عمده گونه‌های شیمیایی موجود در پلاسما به فرآیند گاز مورد استفاده وابسته هستند. دما و فشار به طور قابل توجهی ترکیب را تغییر می‌دهند. از طرفی رنگ پلاسما به صورت مستقیم، مرتبط با ترکیب است. برعکس این قضیه هم صادق است. تغییر در گونه‌های شیمیایی هم بر روی رنگ تأثیر می‌گذارد. پس از مطالعه این موارد، شما هم به اهمیت آنالیز یک پلاسما با طیف سنج پِی می‌برید.

آنالیز پلاسما با اسپکترومتر (طیف سنج)

تا به این جای مقاله مقدمه کوتاهی در رابطه با پلاسما و کاربردهای آن داشتیم.
شما باید بدانید که اطلاع داشتن از ترکیب پلاسما، یک پارامتر حیاتی در همه نوع پلاسما (فارغ از کاربرد آن) است. در صنعت، مهندسی و پزشکی، کنترل دقیق فرآیند و تکرارپذیری را تنها می توان با مشخصه یابی دقیق گونه های مولکولی پلاسما به دست آورد. قصد داریم خیال شما را راحت کنیم که طیف سنجی نشری نوری راه چاره شما است. این تکنیک مهم در آنالیز پلاسما، امکان مشخصه یابی دقیق رنگ پلاسما و گونه‌های موجود در آن را بدون تماس فراهم می‌کند.
طیف‌سنجی نوری با محیط‌های پلاسمای گرم و کاربردهای آن، که به آلودگی حساس هستند؛ سازگاری دارد. در واقع این یک مزیت مهم برای این تکنیک به حساب می‌آید.
جالب است بدانید نتایجی که اسپکترومتر به شما نشان می‌دهد، در لحظه است. به همین دلیل است که شما می‌توانید با اسپکترومتر یک آنالیز inline برای بهینه سازی فرآیند داشته باشید.

طیف‌سنجی نشری نوری روشی برای اندازه‌گیری غیر تهاجمی ایده‌آل در تشخیص پلاسما در محیط هایی است که در آن آلودگی وجود دارد.
در پلاسما معمولا با تعداد زیادی پیک نشری مواجه هستیم. این پیک ها در فاصله کمی از یکدیگر قرار گرفته‌اند. بنابراین برای این که بخواهید به مشخصه یابی آن‌ها بپردازید، به یک اسپکترومتر یا طیف سنج با رزولوشن بالا نیاز دارید.
البته باید بدانید که این رزولوشن بالا یک واژه نسبی است. شاید رزولوشن مد نظر شما بالا باشد اما برای کاربرد دیگری که من نیاز دارم، مقدار کمی باشد. پیشنهاد می‌کنم برای انتخاب رزولوشن دستگاه با کارشناسان شرکت در ارتباط باشید.

اسپکترومترهای تیدا به ۴ دسته تقسیم می‌شوند. شما اسپکترومتر هایی برای کاربرد عمومی، اسپکترومتر با نویز پایین، اسپکترومتر تریگ دار و اسپکترومتر با قدرت تفکیک بالا از این دسته هستند. کافی است تا تنها کاربرد خود را برای ما شرح دهید تا بتوانیم در انتخاب نوع اسپکترومتر و گریتینگ (grating) آن، شما را راهنمایی کنیم. در همه نوع اسپکترومترها انتخاب گزینه شخصی سازی (نرم افزار و سخت افزار) موجود است. در شکل زیر می‌توانید این طبقه بندی را به صورت گرافیکی مشاهده کنید.

برای این که می‌خواهید از عملکرد دقیق دستگاه اطلاع پیدا کنید؛ می‌توانید از ویژگی “تست رایگان قبل از خرید” استفاده کنید. حتی می‌توانید مقایسه اسپکترومتر تیدا را با یک طیف سنج آمریکایی متعلق به شرکت Ocean Insight در زیر مشاهده کنید.

جمع بندی

در این مقاله ابتدا با اهمیت آنالیز پلاسما به علت کاربردهایی که دارد، آشنا شدیم. پس از آن به معرفی دستگاه مورد نیاز برای این آنالیز پرداختیم. شما برای این که بتوانید پارامترهای کلیدی یک پلاسما را مشخصه یابی کنید به یک اسپکترومتر و یا طیف سنج نیاز دارید. این اسپکترومترها انواع مختلفی دارند. برای این که متوجه شوید که کدام یک از این طیف سنج ها مناسب شما است، پیشنهاد می‌کنم تا حتما با کارشناسان شرکت تکسان در ارتباط باشید.

منبع

۱- https://zaya.io/aqrfo