atmosferİk basinÇ İndÜktİf eŞleŞmİŞ plazma …
TRANSCRIPT
T.C.
SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ATMOSFERİK BASINÇ İNDÜKTİF EŞLEŞMİŞ PLAZMA
KARAKTERİSTİKLERİ
Yakup DURMAZ
Danışman
Prof. Dr. Lütfi ÖKSÜZ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
FİZİK ANABİLİM DALI
ISPARTA – 2015
©2015 [Yakup DURMAZ]
TEZ ONAYI
Yakup DURMAZ tarafından hazırlanan "Atmosferik basınç indüktif eşleşmiş
plazma karakteristikleri" adlı tez çalışması aşağıdaki jüri üyeleri önünde Süleyman
Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü FİZİK BÖLÜMÜ Yüksek Enerji ve
Plazma Fiziği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak başarı ile
savunulmuştur.
Danışman Prof. Dr. Lütfi ÖKSÜZ ..............................
Süleyman Demirel Üniversitesi
Jüri Üyesi Prof. Dr. Ayşegül ÖKSÜZ ..............................
Süleyman Demirel Üniversitesi
Jüri Üyesi Doç. Dr. Songül ŞEN GÜRSOY .............................
Mehmet Akif Ersoy Üniversitesİ
Enstitü Müdür Doc. Dr. Yasin TUNCER ..........................
TAAHHÜTNAME
Bu tezin akademik ve etik kurallara uygun olarak yazıldığını ve kullanılan tüm
literatür bilgilerinin referans gösterilerek tezde yer aldığını beyan ederim.
Yakup DURMAZ
i
İÇİNDEKİLER
Sayfa
İÇİNDEKİLER ................................................................................................... i
ÖZET................................................................................................................... ii
ABSTRACT ........................................................................................................ iii
TEŞEKKÜR ........................................................................................................ iv
ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................. v
ÇİZELGELER DİZİNİ ....................................................................................... vi
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ....................................................... vii
1. GİRİŞ .............................................................................................................. 1
2. KAYNAK ÖZETLERİ ................................................................................... 3
2.1. RF (Radyo Frekans ) Deşarj Plazma ........................................................ 3
2.2. RF Plazma Deşarların Sınıflandırılması .................................................. 5
2.3. İndüktif Eşleşmiş Plazma (IEP) ............................................................... 6
2.3.1. E-Modu ............................................................................................ 10
2.3.2. H-Modu ............................................................................................ 11
2.3.3. Hibrid Modu ..................................................................................... 12
2.3.4. Empedans Eşleşme Ağı (İmpedance Matching Network) ............... 13
2.3.5. IEP’nın Optik Metot ile Karakteristiğinin Yapılması ...................... 14
3. MATERYAL VE YÖNTEM .......................................................................... 19
3.1. Materyal ................................................................................................... 19
3.2. Yöntem ..................................................................................................... 26
4. ARAŞTIRMA BULGULARI ......................................................................... 28
4.1. Helyum deneysel bulguları ...................................................................... 28
4.2. Argon deneysel bulguları ........................................................................ 31
5. TARTIŞMA VE SONUÇLAR ....................................................................... 34
KAYNAKLAR ................................................................................................... 36
ÖZGEÇMİŞ ........................................................................................................ 41
ii
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
ATMOSFERİK BASINÇ İNDÜKTİF EŞLEŞMİŞ PLAZMA
KARAKTERİSTLİĞİ
Yakup DURMAZ
Süleyman Demirel Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Fizik Anabilim Dalı
Danışman: Prof. Dr. Lütfi ÖKSÜZ
Atmosferik basınçta yüksek saflıktaki helyum ve argon gazları kullanılarak indüktif
eşleşmiş plazma deşarjı gerçekleştirilmiştir. Atmosferik basınçta indüktif eşleşmiş
plazma oluşturmak için 13,56 MHz frekansında RF güç kaynagı kullanılmıştır.
Dizayn ettiğimiz IEP nin plazma karakteristiklerinin belirlenmesi için optik emisyon
spektroskopisi kullanıldı. Spektroskopi sonuçları kullanılarak elektron sıcaklıkları ve
elektron yoğunlukları hesaplandı. Aynı gaz akış oranı (13 lpm) ve rf güç (1000 W)
için argon indüktif eşleşmiş plazmadaki elektron sıcaklığı (3391 K) ve plazma
elektron yoğunluğun( 3 x 1018 cm-3 ), helyum indüktif eşleşmiş plazmadaki elektron
sıcaklığı (1089 K) ve elektron yoğunluğundan( 4,1 x 1015 cm-3) yüksek olduğu
görüldü.
Elde edilen bu sonuçlara göre; argon ve helyum plazmaların yüksek elektron
yoğunlukları ve yüksek elektron sıcaklıklarına sahip oldukları görüldü.
Anahtar Kelimeler: İndüktif eşleşmiş plazma, RF, plazma karakteristliği, yüksek yoğunluklu plazma, atmosferik basınç. 2015, 42 sayfa
iii
ABSTRACT
M.Sc. Thesis
CHARACTERISTICS OF ATMOSPHERIC PRESSURE INDUCTİVELY
COUPLED PLASMA
Yakup DURMAZ
Süleyman Demirel University
Graduate School of Appliedand Natural Sciences
Department of Physics
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Lütfi ÖKSÜZ
Inductively coupled plasma discharge using helium and argon gas of high purity was
carried out at atmospheric pressure. At 13.56 MHz to create a plasma at atmospheric
pressure inductively coupled RF power source is used.
ICP optical emission spectroscopy for determining the plasma characteristics we
design was used. Spectroscopy results were calculated using the electron temperature
and electron density. The same gas flow rate (13 lpm) and RF power (1000 W) for
the electron temperature in the argon inductively coupled plasma (3391 K) and the
plasma electron density (3 x 1018 cm-3), the electron temperature in helium
inductively coupled plasma (1089 K) and the electron density (4.1 x 1015 cm-3) were
found to be high.
According to the results; argon and helium plasma of high electron density and were
shown to have high electron temperature.
Keywords: Inductively couple plasma, RF, plasma characteristic, high density plasma, atmospheric pressure. 2015, 42 pages
iv
TEŞEKKÜR
Bu araştırma için beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan değerli Danışman Hocam Prof. Dr. Lütfi ÖKSÜZ’e teşekkürlerimi sunarım. Literatür araştırmalarımda, yapılan analizlerde her türlü yardımı yapan, zaman
harcayan, emek veren, tecrübesini paylaşan değerli hocam Arş. Gör. Dr. Ali Güleç’ e ve Ferhat BOZDUMAN’a, tez aşamasından önce ve sonra yardımlarını esirğemeyen değerli dayım Ramazan KILIÇ’a teşekkür ederim. 4340-YL2-15 No`lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı’na teşekkür ederim. Bugünlere gelmemde hiçbir fedakarlığı esirgemeyen, eğitimim süresince
gösterdikleri özveri ve verdikleri desteklerinden dolayı anneme, babama ve
kardeşlerime, sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.
Yakup DURMAZ ISPARTA, 2015
v
ŞEKİLLER DİZİNİ
Sayfa Şekil 2.1. RF deşarjların sınıflandırması .................................................................... 5
Şekil 2.2. Ateşleme dizisini tasvir eden IEP meşale ve yük bobininin
enine kesiti ............................................................................................................. 7
Şekil 2.3. İndüktif eşleşmiş plazma terminolojisi .................................................... 8
Şekil 2.4. IEP deşarj sıcaklık bölgeleri ......................................................................... 9
Şekil 2.5. Empedans uyumlama devresi ..................................................................... 13
Şekil 2.6. HR 4000 model optik spektrometre cihazinin iç yapısı .................... 14
Şekil 2.7. Argon plazmasına ait Boltzmann dağılım grafiği ................................. 15
Şekil 2.8. Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için
kullanılan spectrum çizgileri ....................................................................... 16
Şekil 2.9. FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu .......................... 17
Şekil 3.1. İndüktif eşleşmiş plazma şematik gösterimi ......................................... 19
Şekil 3.2. Deney düzeneğinin genel görünümü ....................................................... 20
Şekil 3.3. Plazma oluşmadan önce ki IEP görünümü ............................................. 20
Şekil 3.4. 600W güç verilmeye başlandığı andaki IEP görünümü .................... 21
Şekil 3.5. 1000W güç verildiği andaki IEP görünümü ........................................... 22
Şekil 3.6. Ocean Optics HR4000 model 3 girişli yüksek çözünürlüklü
(200-1100) nm aralıklı spektrometre ..................................................... 22
Şekil 3.7. Empedans eşleşme(Empedans Matching) ünitesinin üstten
görünüm ............................................................................................................. 23
Şekil 3.8. Dwyer RMA 22 SSV model akışkan metre .............................................. 24
Şekil 3.9. Plazma oluşturmak için kullanılacak yüksek saflıktaki
argon ve helyum gazları………………………………………………………… 25
Şekil 4.1. Helyum plazması için alınan optik salınım spektrumu ..................... 28
Şekil 4.2. HelyumFWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu ........... 29
Şekil 4.3. Helyum plazması için Boltzmann dağılım grafiği ................................ 30
Şekil 4.4. Argon plazması için alınan optik salınım spektrumu ......................... 31
Şekil 4.5. Argon FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu ............. 32
Şekil 4.6. Argon plazması için Boltzmann dağılım grafiği .................................... 33
vi
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 4.1. Helyum plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan NIST verileri ............................................................................. 29 Çizelge 4.2. Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan NIST verileri ............................................................................. 32 Çizelge 4.3. Helyum ve Argon plazmalarının elektron sıcaklıkları ve
elektron yoğunluklarının gösterilmesi ............................................... 33
vii
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ
Ak Taban durumuna geçiş olasılığı
c Işık hızı
C Atomlar için kullanılan bir sabit
e Elektronun yükü
Ek Uyarılma enerjisi
ECR Elektron siklotran rezonası f Frekans
gk İstatiksel genişlik
h Planck sabiti
Hβ Beta çizgilerinin dalga boyu HOL Nötr döngü deşarj
kB Boltzmann sabiti
K Kelvin
me Elektronun kütlesi
ms Milisaniye
MHz Megahertz
ne Elektron yoğunluğu
Ne cm-3’teki elektron yoğunluğu
Ik Emisyon çizgisi şiddeti
ITA Uluslar arası telekomikason antlaşması ISM Bilimsel ve tıbbi kullanım endüstrisi RF Radyo frekansı
Te Elektron sıcaklığı
Tg Gaz sıcaklığı
Vm Elektron elestik çarpışma sıklığı
w Elektron etki parametresi
ε Boş uzayın elektriksel geçirgenliği
λ Havadaki dalga boyu
λg Kılavuz dalga boyu
λk Emisyon çizgisinin dalga boyu
µ Boş uzayın manyetik geçirgenliği
1
1. GİRİŞ
Başlangıçta "Plazma" sadece serbest iyonlar ve elektronlar içeren tam iyonlaşmış
gazlar için ideal bir yaklaşımdı ancak Irving Langmuir (1881-1957) kısmen (nötr
gaz partikülleri içeren) iyonize gazları “Plazma” olarak adlandırmıştır [Langmuir,
1961; Broun, 1978; Tonks, 1967]. Daha kesin olarak, plazma elektrik yüklü ve nötr
parçacıklarına önemli sayıda sahip bir iyonize gazdır. Bir plazma doğada sanki nötr
(quasineutral) davranış sergiler ve plazma parçaçıkları kolektif hareket ederler
[Chen, 1983]. Katı, sıvı ve gaz bileşenlerinin aksine, plazmadaki parçacıklar
(özellikle elektronlar) oldukça yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Plazma karakteristik
olarak maddenin diğer bilinen üç halinden çok farklı, "Maddenin Dördüncü Hali"
olarak adlandırılır. Evrenin % 99 plazma halde olduğuna inanılmaktadır.
Plazmalar parçacıkların sıcaklık değerlerine göre ayırt edilebilirler. Tüm parçacıkları
(elektronlar, iyonlar ve nötrler) yerel olarak aynı sıcaklığa sahip plazmalara yerel
termal denge (local thermal equilibrium- LTE) plazmaları denilmiştir. Hafif
elektronlarla, ağır nötr iyonlar arasında büyük bir sıcaklık farkı olan plazmalara da
yerel termal dengede olmayan plazmalar denilmiştir ( non- LTE) [Loffhagen ve
Winkler, 1994]. Hem LTE hem de non-LTE deşarjları elektronların ısı hızı kütle
farkları nedeniyle iyon ısı hızından çok daha yüksektir.
Plazmalar iyonlardan, benzer atomlardan, moleküllerden ve hatta radikallerinden bile
meydana gelebilir. Plazma parçacıklarının oluşumundaki temel reaksiyon
mekanizmaları; uyarılma, ayrışma, iyonizasyon, iyonların yeniden birleşmesi,
plazmayla temas halindeki yüzeylerden koparılmasıdır. Labaratuar ortamında plazma
elde etmek için, harici bir elektriksel güç kaynağı gereklidir. Bu güç kaynakları
frekanslarına göre dogru (dc), radyofrekansı (rf), mikrodalga kaynakları
olabilmektedir.
Günümüzde plazmaların evsel ve endüstriyel uygulamalarda çok çeşitli kullanım
alanları bulunmaktadır [Bogaerts vd., 2002; Hippler vd., 2001]. Reaktif olmayan
2
LTE plazmaları yaygın olarak yüzey modifikasyon uygulamalarında
kullanılmaktadır. Genel olarak plazmalar mekanik aletlerin dayanıklılığı, mikroçip
üretimi, plazma işleme, aydınlatma olanakları, tekstil sektöründe yenilikçi
uygulamalar için kullanılmaktadır. Son zamanlarda plazma, güneş hücreleri ve
plazma ekran panelleri (PDP) üretmek ve biyo-implant üzerinde dayanıklı ve biyo-
uyumlu kaplamalar oluşturmak için yeni araştırmalar yapılmaktadır.
Teknolojik uygulamalarda kimyasal olarak reaktif olmayan LTE plazmalar (düşük
sıcaklık ve düşük basınç) birçok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Bu plazmalar
termodinamik denge altında ulaşılması güç bölgelerde yüzey özelliklerini
değiştirmek için kullanılabilir.
Atmosferik basınç indüktif eşleşmiş plazma sıcak plazma sınıfına girmektedir.
İndüktif eşleşmiş plazma kaynağı hem laboratuar araştırmalarında hemde endüstriyel
uygulamalarde giderek artan bir potansiyele sahiptir. Isı kaynağı olarak, kimyasal
reaksiyonların sentezinde ve spektrokimyasal analizler olmak üzere çeşitli alanlarda
kullanılmaktadır. Isı kaynagı olarak kristal büyüme, plazma püskürtme,
deposizasyon ve plazma sinterleme alanlarında kullanılmaktadır. Kimyasal reaksiyon
sentezinde ise yüksek saflıkta silikon sentezinde, titanyum dioksit pigment
sentezinde ve çok ince ultra saf tozların sentezinde kullanılmaktadır.
Spektrokimyasal analizde ise bir emisyon kaynağı olarak kullanılan indüktif eşleşmiş
plazma kullanımı indüksiyon teknolojisinin en geniş uygulama alanı bulduğu
yerlerden birini temsil eder.
3
2. KAYNAK ÖZETLERİ
2.1. RF (Radyo Frekansı ) Deşarj Plazma
Gaz deşarjları ve DC deşarj sınırlamaları yenilikçi endüstriyel uygulamalar için
radyo frekansı (ƒ ≅ 1-100 MHz) deşarj araştırmalarının önünü açtı [Liebermann ve
Lichtenberg, 1994; Raizer, 1997]. Kimyasal olarak reaktif RF deşarjrında genellikle
elektrotlar birine bağlıdır ve bir alt-tabaka üzerinde ince, katı aşındırma tabakaları
kullanılmaktadır. RF plazmaları ve DC deşarj akımı bu koşullar altında sürekli
çalışamaz çünkü muamele edilecek katman yarı iletken ya da yalıtkan olduğu zaman
özel kullanım yöntemleri vardır [Raizer, 1997]. Elektromagnetik alan ve uzay deşarj
birleştirilmesine dayanarak RF deşarjları iki gruba ayrılır, indüktif eşleşmiş ve
kapasitif eşleşmiş plazmalar [Hittorf and Wiedsmann, 1884]. Nitel bir anlamda,
uyarıcı alan frekansı ωrf, elektron frekansı ωe, ve iyon frekansı ωi plazma frekansları
arasındaki oran ile RF deşarjları için iki çalışma durumu ayırt edebilebilir: elektron
plazma frekansına göreceli olarak, ωe(= √nee2 meε0⁄ ve iyon plazma frekansı, ωi(=
√nie2 Miε0⁄ olmak üzere, birinci bölgede ωe >> ωi >> ωrf olur ve düşük frekanslı rejim
adı verilir. İkinci rejim ise, yüksek frekans rejimidir ωi<< ωrf << ωe ve hareketsiz iyonlar
ile ayırt edilir. Elektron ve iyon plazma frekansları için verilen ifadelerde ‘n’ elektron
ya da iyon yoğunluklarına, ‘me ve Mi’ ise sırasıyla elektron ve iyon kütlelerine
karşılık gelmektedir.
RF deşarjlar ile yayılan elektromanyetik enerji gazı iyonlaştırmak, yüklü
parçacıkların yoğunluğunu korumak için gaz boşaltım bölgelerinde üretilir. RF
deşarjları bir deşarj boşluğu boyunca bir elektromanyetik alan uygulanarak
oluşturulur. Uluslararası Telekomünikasyon Anlaşmaları (ITA) ve Endüstriyel
tarafından çıkarılan yönetmeliklere göre, Bilimsel ve Tıbbi kullanım (ISM) ticari
RF jeneratörünün kullanılması gereken standart frekans RF = 13.56 MHz veya daha
yüksek harmonikleri olduğunu söylemiştir. ITA / ISM frekansları kullanan sistemler
haberleşme cihazlarına engel olmadığından emin olmak için emisyon ekranlı
olmalılar.
4
Gazlar her zaman kozmik ışınlar tarafından üretilen serbest elektronların küçük bir
kısmınıı içerir. Bu birincil elektronlar yüksek enerjilere uygulanan elektrik alanı
tarafından hızlandırılırlar ve nötr parçaçıklarla iyonizasyon ve diger mekanizmaları
başlatırlar. Elektron nötr çarpışmalarıyla, rf elektrik alan enerjisini elektronlar
vasıtasıyla nötr parçaçıklara aktarır. Bu olaya çarpışma veya Ohmik ısıtma denir.
Elektronun elastik çarpışma sıklığı vm, gaz yoğunluğu ile orantılıdır ve sabit bir
gazı sıcaklığında, gaz basıncı:
𝑣𝑚 ∝ 𝑁 ∝ 𝑝 (2.1)
çarpışma frekansı ve elektron yoğunluğuyla orantılıdır.
RF deşarjlarında çarpışmasız veya stokastik ısıtma mekanizmaları da söz konusudur.
Stokastik ısıtma etkili elektron çarpışma sıklığı ve düşük gaz basınçlarında daha
verimlidir. Stokastik ısıtmanın teorik açıklamaları halen tartışılmaktadır. İki modele
literatürde rastlanmaktadır. Birinci modeli elektronların kılıfın hareket kenarından
yansımalarıyla ek enerji elde edilmesi Fermi ivme denklemine dayanmaktadır. İkinci
bir model ise kılıf kenarı tekrar sıkıştırma işlemi ve elektron bulutunun seyrelme
etkisine dayanmaktadır. Bu durumda, ısıtma stokastik basınç değişimlerine atfedilir.
5
2.2. RF Plazma Deşarjlarının Sınıflandırılması
RF deşarj sınıflandırmaları Şekil 2.1’ de gösterilmiştir.
Şekil 2.1. RF deşarjların sınıflandırılması
Elektrotsuz RF deşarj için G.I. Babat (Babat, 1947) ilk kez 1947 yılında "E-deşarj"
ve "H-deşarj" tanıtmış, elektrik veya manyetik alanlar tarafından plazma nesli
arasında ayrım yapmıştır. "E-deşarj" V.A. Godiak (Godiak, 1976) tarafından kabul
edilmiştir. Buna ek olarak, anten doğrudan bir elektrik alanı oluşturabilir, bu
durumda bir elektrot olarak görev yapar. E ve H-modları arasında bir geçiş rejimi
hakimdir ve güç eşleşme mekanizmasını belirlemenin zor olduğu bilinmektedir. Bu
IEP rejimi hibrit modu olarak adlandırılır. Yukarıda belirtilen saf indüktif veya
kapasitif deşarjların yanı sıra hibrid IEP/CEP deşarjları da vardır.
6
2.3. İndüktif Eşleşmiş Plazma (İEP)
İndüktif eşleşmiş plazma (IEP) tekniği radyo frekansı (rf) deşarjları üretmek için
kullanılan yöntemlerden biridir. IEP yeni bir kavram değildir ve jenerasyonu [Reed,
1961], modellenmesi [Merkhouf ve Boulos, 1998; Tanaka ve Sakuta, 2002],
karakterizasyonu [Murphy, 2001; Godyak vd., 1999], işlemesi [Chung vd., 2000;
Smolyakov vd., 2000] ve uygulamaları [Xu vd., 2001; Reece, 1995] son birkaç on
yıldan bu yana birçok literatürlerde bildirilmiştir. Indüksiyon ısıtma kavramı ilk 1884
yılında Hittorf tarafından ortaya atılmış olmakla birlikte [Reed, 1961], indüksiyon
plazmalar ve uygulamalarının tam bir kavramı Reed tarafından 1961 yılında rapor
edilmiştir [Reed, 1961], ve bundan sonra ki çalışmalar birçok uygulama alanında tüm
dünyada bilim adamları ve araştırmacılar tarafından yapılmıştır. Ama, bu
araştırmaların çoğu düşük basınçlı IEP’ ler için yapılmıştır çünkü düşük basınç IEP’
lerin oluşturulması ve üretimi kolaydır. Diğer taraftan, yüksek sıcaklık ve yüksek
reaksiyon aktivitesi ve malzeme işleme, plazma sprey uygulamaları gibi çeşitlilik
içinde geçmiş yıllarda yüksek basınçlı indüksiyon plazma potansiyeline artan bir ilgi
oluşmuştur. Metal ve seramik, ince filmler biriktirme, atık maddeler imhası, kaplama
ve çevre kirliliğinden sorumlu zararlı gazlara (NOx, CO2, O3, CFC vs.) imhası gibi
yöntemlerde kullanılmıştır.
Bununla birlikte, rf indüksiyon plazmaların uygulamaları genellikle ısıtma üzerine
olmuştur. Ama yüksek basınç (1 atm ya da daha yüksek basınçlarda), rf plazma ateş
meşalelerinin başlangıçları zordur, ilk başlama indüksiyon plazma deşarjlarını
tutuşturmak için önemlidir ve bir yüksek gerilim başlangıcında çalıştırıldığında
genellikle gereklidir [ Reece, 1995]. Şimdiye kadar çeşitli teknikler, DC ark jet ve rf-
hibrid plazma ateş meşale gibi yüksek basınçlı rf indüktif deşarjları başlatmak için
kullanılmıştır.
7
Şekil 2-2'de gösterildiği gibi, argon gazı kuvars malzemeden yapılmış üç eş merkezli
tüpten oluşan bir meşale boyunca yönlendirilir. Bir bakır bobin, meşale üst ucunu
çevreleyen bir bir radyo frekansı (RF) jeneratörüne bağlanır. RF güç (genellikle 700-
1500 watt) bobine uygulanır. RF gücü elektrik ve manyetik alanlar ile meşale
üstündeki alanda plazma oluşmasına neden olur. Argon gazı meşale ile seyir
halindeyken bir kıvılcım ile gaza uygulanan bazı elektronlar argon atomlarını
terkeder. Bu elektronlar daha sonra manyetik alan içinde yakalanır ve hızlandırılır.
Hızlanan elektronlar diğer argon atomları ile çarpışır. Bir argon gazı bu çarpışma
sonucunda iyonizasyona ugrar ve indüktif eşleşmiş plazma (IEP) deşarj olarak
adlandırılır. RF enerjisi indüktif eşleşmiş plazma sürecinde kendisine transfer olarak
meşale ve bobin içinde sürdürülür.
Şekil 2.2. Bir ateşleme dizisini tasvir eden IEP ateş meşalesi ve yük bobininin enine
İndüktif eşleşmiş plazma deşarjları çok yoğun ve parlak beyaz olarak görünür. Şekil
2.3’te IEP deşarjların enine kesitli bir sunumu gösterilmektedir Plazmanın farklı
bölgeleri için terminoloji gösterimi (Koirtyohann vd., 1981).
8
Şekil 2.3. İndüktif eşleşmiş plazma terminolojisi. (Charles ve Kenneth, 1997)
İndüktif eşleşmiş plazmanın üstünlüğünün önemli sebeplerinden biride yüksek
sıcaklık değerlerinde çıkabiliyor olmasıdır. Şekil 2.4’ te IEP farklı bölgeleri için
yaklaşık sıcaklık değerleri gösterilmektedir. IEP merkezinde, gaz sıcaklığı yaklaşık
6800 K civarındadır [Hasegawa vd., 1992].
Şekil 2.4. IEP deşarj sıcaklık bölgeleri. Sıcaklık (K) ± 10%. (Charles ve Kenneth,
1997)
9
2.3.1. E-modu
Düşük elektron yoğunluğu (1014-1016 cm-3) tarafından ayırt edilen (Ar
plazmalardaki) sırası ile eşleşme ve görünüme E-mod veya koyu mod denir. E-modu
çalışma rezonans koşulunda (anten bobin gücü ve topraklı ucu arasında) yüksek bir
potansiyel enerji üretilen ve düşük yoğunluk gözlenebilir olması nedeniyle düşük
yoğunluklu CEP deşarjlı plazalara çok benzer sonuçları ortaya koyar. E-modunda
plazma içine elektrik bağlantı verimliliği anten plazma kapasitansının ve anten
geriliminin büyüklüğü ile belirlenir. Temel ısıtma mekanizması kapasitif eşleşmiş
boşalmalara benzerdir. Bu elektrostatik birleştirme topraklı Faraday kalkan
kullanılarak azaltılabilir.
10
2.3.2. H-modu
Belirli bir eşik noktasında ki güç artması ile birlikte plazma yüksek yoğunluk
moduna geçer (H modu, genellikle saf indüktif mod olarak adlandırılır), anten bobin
altındaki elektrik alanları ile birlikte plazma oluşturmaya yardımcı olur. Bu modda,
plazma, yüksek yoğunluğu ile karakterize edilir (yaklaşık ~1013 cm-3), yüksek ışınım
gücü ihmal edilebilir (ve alçak gerilim) kılıflar ve nispeten düşük plazma potansiyeli
ve elektron enerjisi anlamına gelir.
Faraday kanununa göre, ∇ × 𝐸 = −𝜕𝐵/𝜕𝑡 bobinlerinde RF akımından dolayı
indüklenen manyetik alan değişken zaman plazmada bir azimut RF elektrik alanı
oluşturur. Plazma bölgesinde neden olan RF elektrik alanı bobinlere ters yönde,
iletken plazmada ise bir RF akımını indükleyen bir elektrik transformatörüne
benzerdir. H-modunda güç bağlantı verimliliği plazma akımı ve anten akımı
arasındaki trafo aktivitelerine bağlıdır.
Indüklenmiş plazma elektrik alanlar veya "ısı" elektronları hızlandırır ve bu
hızlandırılmış elektronlar besleme gazı ile çarpıştığı zaman bazı durumlarda
iyonizasyon oluşur. Bu modda, plazmada ısıtma mekanizmaları ohmik ısıtmanın yanı
sıra çarpışmasız stokastik ısıtma durumları da vardır.
11
2.3.3. Hibrid modu
Bir E-H-modu, sisteme giden gücün artırılması ile belirli bir eşik frekansında aynı
güçte olamaz, ama daha düşük bir güçte bir histeriz etkisine neden olabilir. E-modu
veya bir H-modu IEP deşarj da saf bir şekilde olduğu tespit edilmiştir ancak hibrid
tarzı modda geçiş histerezis bölgeye hakim olan noktaya yakındır.
Deneysel olarak, çoklu mod geçiş noktaları bobin geometrisine bağlı olduğu
bulunmuştur, Faraday kalkan kalitesine, anten bobini ve plazma arasındaki mesafeye,
fiziksel sınırlar ve gazlar nedeniyle her şeyden önce parazitli unsurlara baglıdır.
12
2.3.4. Empedans Uyumlama Devresi ( İmpedance Matching Network)
RF jeneratörü arasına yerleştirilen plazma yükü ile empedans uyulmama devresi rf
güç aktarımını belirler. Empedans uyumlama devresi indüktif eşleşmiş plazma (IEP)
üreten, sabit frekansta çalışan temel bileşendir. Bir empedans uyulmama devresininin
önemli fonksiyonları, (a) plazma oluşumunu kolaylaştırmak (rf) gücünün verimli
transferini sağlamak ve rf gücünün bileşimi olarak empedansın gerçek zamanlı
değişiklikleri telafi ederek yansıyan gücü minimum düzeyde tutulmasını sağlar.
Deneyde kullandıgımız empedans eşleşme devresi kendi tasarımımız olup IEP
oluşumu sağlamak ve olumlu sonuçlar elde etmek için tasarlandı. (Şekil 2.5)
Şekil 2.5. Empedans uyumlama devresi
13
2.3.5. IEP Optik Metotla Karakteristiğinin Yapılması
Atmosferik basınçtaki plazmaların elektron yoğunluğunu ve elektron sıcaklığını
hesaplamak için plazmanın optik salınım spektrumunu kullanmak daha elverişlidir.
Plazmanın optik salınımlarını tespit etmek için optik salınım spektrometre cihazı
kullanılır. Fiber optik kablolar yardımı ile plazmadan alınan ışık sinyalleri özel ayna
ve mercek sistemlerine sahip spektrometre cihazına gönderilir. Gönderilen ışık
sinyalleri cihaz içerisindeki özel olarak tasarlanmış CCD dedektör yardımı ile dalga
boylarına ayrıştırılır. Ayrıştırılan bu dalga boyları bilgisayar ortamına görüntü olarak
aktarılır. Görüntüye çevrilmiş olan ışık sinyalleri belirli dalga boylarında ve değişik
şiddetlerde pik salınımları yapar. Bu salınımların içerisinde artık kullanılan plazma
gazına göre değişik elementler, serbest radikaller bulunmaktadır. Şekil 2.6’ de
OceanOptics firmasına ait HR4000 model optik spektrometre cihazının içyapısı
gösterilmektedir.
Şekil 2.6. HR4000 model optik spektrometre cihazının içyapısı 1- SMA konnektör;
2- Giriş yarığı; 3- Band geçiren filtre; 4- Kolimatör ayna; 5- Sistem ızgara;
6- Ayna odak; 7- Objektif; 8- Lineer sensör; 9-10 Filtreler ( Magazine,
2004)
14
Atmosferik basınçta indüktif eşleşmiş plazmanın optik metotla karakteristiği
yapılırken kullanılan plazma gazına göre ortaya çıkan element spektrumları ve
serbest radikaller kullanılır. Optik metotla plazmanın elektron yoğunluğu ve elektron
sıcaklığı hesaplanabilir. Elektron sıcaklığı Boltzmann dağılımı ile belirlenir.
Boltzmann dağılımı yasasına uyan plazmalar yerel termodinamik dengede olan
plazmalardır (Hahn and Wiese, 1990). Boltzmann dağılımından elektron sıcaklığına
geçiş için aşağıdaki denklem kullanılır.
ln (𝐼𝑘𝜆𝑘
𝑔𝑘𝐴𝑘) = −
𝐸𝑘
𝑘𝐵𝑇𝑒+ 𝐶 (2.2)
Denklemdeki Ik emisyon çizgisinin şiddetini, λk emisyon çizgisinin dalga boyunu, gk
istatiksel genişlemeyi, Ak taban durumuna geçiş olasılığını, kB Boltzmann sabitini, Te
elektron sıcaklığını, Ek uyarılma enerjisini, C ise atomlar için kullanılan bir sabitti
temsil etmektedir. Denklem (2.2)’ in Ek ’ya göre eğimi elektron sıcaklığını
vermektedir. Argon gazı kullanılarak oluşturulan plazmanın Boltzmann dağılımına
uyduğu grafik Şekil 2.7’de gösterilmiştir. Grafik üzerindeki noktalar argon
plazmasının optik spektrometreyle alınan dalga boylarıdır. Grafik üzerindeki noktalar
düz çizgiye ulaştığı durumlarda Boltzmann dağılımına uymadığı sonucu ortaya çıkar.
Şekil 2.7. Argon plazmasına ait Boltzmann dağılımı grafiği (Zhang at al., 2010)
15
Şekil 2.8’de verilen spektrum çizgileri ve parametreleri elektron sıcaklığını
hesaplamak için kullanılmıştır.
Şekil 2.8. Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan
spektrum çizgileri (Zhang at al., 2010)
Elektron yoğunluğunu ölçmek için genellikle hidrojen atomunun balmer serisinden
olan Hα ve Hβ çizgileri kullanılmaktadır. Atmosfer ortamında oluşturulan
plazmalarda havada bulunan nemden dolayı ölçülen spektrum değerlerinde hidrojen
atomunun balmer serisi çizgileri görülebilir. Alfa ve beta çizgileri dalga boyu olarak
sırasıyla Hα=656 nm ve Hβ=486 nm’dir. Hesaplama metodu olarak yarım
yükseklikteki tam genişlik (FWHM) değeri kullanılmaktadır (Griem, 1997). Spektral
bir çizgi üzerinde FWHM değerinin konumu Şekil 2.9’ deki gibidir.
16
Şekil 2.9. FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu (Sbig, 2011)
FWHM değerinden yararlanarak argon plazmasının elektron yoğunluğunu
hesaplamak için Denklem (2.3) kullanılmaktadır (Konjevic at al., 2002).
𝑁𝑒 = [∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀
2𝑤] × 1017𝑐𝑚−3 (2.3)
∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀 = ∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀(Deneysel) − ∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀(Cihaz) (2.4)
Denklem (2.3)’deki Ne cm-3’ deki elektron yoğunluğunu, λFWHM kullanılan spektral
çizginin yarsındaki maksimum noktanın genişliğini, w kullanılan spektral çizginin
elektron etki parametresini temsil etmektedir. Teorik FWHM değeri argon lambası
referans alınarak bulunmaktadır. FWHM değerleri teorik hesaplarla veya grafik
programları yardımıyla hesaplanabilir. Helyum plazmasının elektron yoğunluğunu
hesaplamak için hidrojen çizgilerinin kullanılmadığı bağıntı kullanılmaktadır
(Konjevic and Roberts, 1976). Helyumun elektron yoğunluğunu hesaplamak için
genellikle 501 nm ve 667 nm spektral çizgileri kullanılmaktadır (Omar, 2011).
17
Denklem (2.5)’ de helyumun spektral çizgilerinden olan 667 nm çizgisi için
kullanılan bağıntı verilmiştir.
𝑙𝑛𝑤(𝐴0) = −34.90(±1.5) + 1.040(±0.014)𝑙𝑛𝑁𝑒(𝑐𝑚−3) − 0.35(±0.04)𝑙𝑛𝑇𝑒(𝐾)
(2.5)
Yukarıdaki ifadede w kullanılan çizginin FWHM değerini Te elektron sıcaklığını
temsil etmektedir. Teorik olarak atmosferik basınçtaki indüktif eşleşmiş plazmalarda
helyum gazı için elektron yoğunluğu 1014– 1016 cm-3 aralığında olmaktadır (Zander
and Hieftje, 1981).
18
3. MATERYAL VE YÖNTEM
3.1. Materyal
Anlatılan çalışma Süleyman Demirel Üniversitesi’nde bulunan Plazma Araştırma
Laboratuvarının (PAL) imkânlarıyla gerçekleştirildi. Deney düzeneğinin
kurulumunu ve deneyde kullandığımız malzemelerinin şekillerini aşağıda
görebilirsiniz. Deneyimizin şematik görünümü şekil 3.1 de gösterilmiştir.
Şekil 3.1. İndüktif eşleşmiş plazma şematik gösterimi.
19
Kuvars tüp, böbin, empedans uyumlama ünitesi, argon ve helyum gazları, su geçiş
baglantılarınin genel görünümü Şekil 3.2 da gösterilmiştir.
Şekil 3.2. Deney düzeneğimiz genel görünüşü
Plazmayı oluşturmadan önceki sistemimizin görünümü gösterilmiştir. (Şekil 3.3 )
Şekil 3.3. Plazma oluşmadan önce ki IEP görünüm
20
Çalışma bobini, bir radyo frekanslı güç kaynağı tarafından beslenir ve su ile
soğutulan indüksiyon bobinden oluşur. Bakır indüksiyon bobini IEP meşale etrafında
üç kez sarılmış ve soğutma amaçlı bobin içinden su geçişi yapılmaktadır. Manyetik
alan tarafından üretilen kuvvet çizgileri, tüpün içindeki solenoid ekseni boyunca
yönlendirilmiş bir dış elips şeklinde elde edilir. Şekil 3.4 de sisteme 600W güç
verildiğini zaman oluşan plazmanın genel görünümü verilmiştir.
Şekil 3.4. 600W Güç verilmeye başladığı anda ki IEP görünümü
Plazma, bobin içindeki kuvars tüpten geçen argon gazı bir tesla bobinine kıvılcım
verilerek başlatılır. Elde edilen iyonlar ve elektronlar indüksiyon bobini tarafından
üretilen dalgalı manyetik alana maruz kalmaktadır. Bu iyonlar ve elektronlar bobin
içinde kapalı halka şeklindeki yollarda akış yaparlar. Bu şekilde girdap akımları
üretilir. Bu girdap akımlarına, hızla indüksiyon bobini tarafından üretilen titreşimli
alandan yeterli enerjiye kazandırmak ve yüksek iyonizasyon derecede sürdürmek için
gereklidir. Bobin ve meşale arasındaki mesafe, bobinin sarım sayısı ve sarım
aralıkları kararlı plazma oluşumunda önemli parametrelerdir. Şekil 3.5’ te sisteme
1000W güç verdiğimiz zaman oluşan plazmayı ve plazmanın kuvars tüpün dışarı
çıkışı görülmektedir.
21
Şekil 3.5. 1000W Güç verildiği andaki IEP görünüm
Oluşturulan plazmadaki optik salınımları ölçmek için Şekil 3.6.’de gösterilen
OceanOptics HR4000 model yüksek çözünürlüklü spektrometrenin fiber optik
kablolarından birisi plazmanın oluştuğu bölgeyi görecek şekilde sabitlendi.
Şekil 3.6. Ocean Optics HR4000 model 3 girişli yüksek çözünürlüklü (200-1100)
nm aralıklı spektrometre
22
Kendi tasarladığımız empedans uyulmama ünitesinin üstten görünümü Şekil 3.7’ de
gösterilmiştir. Bu devre; bir hareketli kondansatör, 5 sabit kondansatör, 9 sarımdan
oluşan bir böbin ve bakır kablolardan oluşmaktadır. Şekil 3.7’te gösterildiği gibi.
Şekil 3.7. Empedans uyumlama(empedans matching) ünitesinin üstten görünümü
23
Şekil 3.8.’de gösterilen Dwyer RMA 22 SSV marka 0-25 lt/dk aralığında ölçüm
yapabilen analog akışkan metre yardımıyla kuvars tüpün içinden geçen gazın akışı
miktarı ölçüldü ve kontrol edildi. Akışkan metre lpm (litre per minute / dakika başına
litre) biriminde ölçüm yapmaktadır. Kullanılan akışkan metre hava için kalibre
edildiğinden dolayı kullanılan gazların gerçek akış miktarlarını ölçmek için dönüşüm
yapıldı.
Şekil 3.8. Dwyer RMA 22 SSV model akışkan metre
24
Plazma gazları olarak Şekil 3.9.’de gösterilen % 99,999 saflıktaki argon ve helyum
soy gazları kullanıldı.
Şekil 3.9. Plazma oluşturmak için kullanılan yüksek saflıktaki argon ve helyum
gazları
25
3.2. Yöntem
Plazmanın oluştutulması için kuvars tüpün etrafında 3 sarımdan oluşan bir bakır
bobin sarılmıştır. Bobinin uçları emdedans uyulmaya ünitesine bağlandı. Bakır
bobinin içinden ve rf güç kaynagının çok ısınmasını engelemek için su geçişi yapıldı.
Rf güç kaynagını empedans uyulmama ünitesi baglantısı yapıldı. Rf güç
kaynağımızdan 1000 W gücümüzü ayarladık. Ar ve He 13 l/dk gaz geçişlerini ayrı
ayrı ayarladıktan sonra güc bobine verilmeye başlanıldı. Başta yansıyan güc yüksek
olduğundan dolayı örneğin 1000 W 200 W iken yaptıgımız empedans uyulmama
ayarlaması ile yansıyan gücü 5 W düşürdük ve indüktif eşleşmiş plazmamızı
oluşturmuş olduk. Optik spektrometre yardımıyla denelsel ölçümlerimizi aldık.
Deneysel ölçümlerden sonra helyum ve argon plazmasının elektron yoğunlukları ve
elektron sıcaklıkları ölçüldü. Elektron sıcaklığını ölçmek için denklem (3.1)’deki
Maxwell-Boltzmann dağılım fonksiyonu kullanıldı. Bunun için helyum ve argon
plazmalarından alınan optik salınım değerleri ve şiddetleri kullanıldı. Denklem
(3.1)’deki Ik emisyon çizgisinin şiddetini, λk emisyon çizgisinin dalga boyunu, gk
istatiksel genişlemeyi, Ak taban durumuna geçiş olasılığını, kB Boltzmann sabitini,
Teelektron sıcaklığını, Ek uyarılma enerjisini, C ise atomlar için kullanılan bir sabitti
temsil etmektedir. Denklemdeki diğer veriler atomlar için özel sabitler
olduğundanUlusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST)’nün web sitesinden
referans alındı.
ln (𝐼𝑘𝜆𝑘
𝑔𝑘𝐴𝑘) = −
𝐸𝑘
𝑘𝐵𝑇𝑒+ 𝐶 (3.1)
T𝑒 = −1.439
𝑒ğ𝑖𝑚 (3.2)
Daha sonra elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan optik salınım değerleri
yardımı ile elektron sıcaklığının uyarma enerjisine bağlı grafiği çizildi. Denklem
(3.1)’ in eğimi bize elektron sıcaklığımızı vermektedir. Denklem (3.2)
denklem(3.1)’deki Te‘nin çekilmiş halidir. Bu denklemde eğim değeri paydaya
yazılırsa elektron sıcaklığı hesaplanmış olacaktır. Argon plazmasının elektron
26
yoğunluğunu hesaplamak için Denklem (3.3)’da verilen sade genişlik
(StarkBroadening) bağıntısı kullanıldı (Konjevic at al., 2002). Elektron
yoğunluklarını ölçmek için argon ve helyum plazmaları için ayrı ayrı en şiddetli
dalga boylarında yarım yükseklikteki tam genişlik (FWHM) değeri kullanıldı.
Denklem (5.3)‘daki gerekli terimler yazılarak elektron yoğunluğuna geçiş yapıldı.
Ne = [∆λFWHM
2w] × 1017cm−3 (3.3)
∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀 = ∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀(Deneysel) − ∆𝜆𝐹𝑊𝐻𝑀(Cihaz) (3.4)
Denklem (3.4)’deki teorik FWHM değeri argon lambası kullanılarak hesaplandı.
738,45 nm dalga boyunda olan argon çizgisi için teorik genişlik 0,97064 nm,
deneysel genişlik 1,40626 nm olarak bulundu. Elektron etki parametresi NIST veri
tabanından 738,45 nm için 0,0071 nm olarak alındı. Bulunan ifadeler Denklem (3.3)
ve (3.4)’de yerine yazılarak argon plazması için elektron yoğunluğu hesaplandı.
FWHM değerleri hesaplanırken OriginPro grafik analiz programından faydalanıldı.
Helyum plazmasının elektron yoğunluğunu hesaplamak için Denklem (3.5)
kullanıldı. Bu denklem helyum 667,68 nm spektral çizgisi için kullanıldı (Konjevic
and Roberts, 1976).
ln(WFWHM) = −34.90(±1.5) + 1.040(±0.014)ln (Ne) − 0.35(±0.04)ln (Te )
(3.5)
Denklem (3.5)’deki WFWHM kullanılan helyum spektral çizgisinin yarım
maksimumdaki tam genişliğini, Te elektron sıcaklığını temsil etmektedir. Helyum
667,68 spektral çizgisi için WFWHM değeri OriginPro programı yardımı ile 0,93275
nm olarak bulundu. Elektron sıcaklığı olarak helyum için bulunan değer kullanıldı.
Gerekli ifadeler yerlerine yazılarak Ne değeri 4,1 x1015 cm-3 olarak bulundu.
27
4. ARAŞTIRMA BULGULARI
4.1. Helyum Deney Verileri
Şekil 4.1. Helyum plazması için alınan optik salınım spektrumu
Şekil 4.1.’de gösterilen optik salınım spektrumlarının dalga boyu değerleri ve
geçişleri aşağıda verildi.
He I (1s2p - 1s3d) 587 nm’de
He I (1s2p - 1s3d) 667 nm’de
He I (1s2p - 1s3s) 706 nm’de
He I (1s2p - 1s3s) 728 nm’de
O I (2s22p3(4S°)3s - 2s22p3(4S°)3p) 777 nm’de
O I (2s22p3(4S°)3s - 2s22p3(4S°)3p) 844 nm’de
28
Helyum plazması için verilen spektral çizgiler arasında hidrojen atomunun balmer
serisinden olan Hα 656 nm çizgisi gözlenmiştir. Bunun sebebi havadaki nemden
kaynaklanmaktadır.
Şekil.4.2. Helyum FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu
Çizelge 4.1. Helyum plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan
NIST verileri
Atom Ek
(cm-1) Intensity
(I) 𝛌
(nm) gk Ak
(s-1) (
𝛪 ∗ 𝜆
gk ∗ Ak) ln (
𝛪 ∗ 𝜆
gk ∗ Ak)
He I 186104,9667 11036 586,6 5 4,31E+03 3,00E+02 5,70512996
He I 186104,9667 4381 667,42 5 6,37E+07 9,81E-03 -4,690759702
He I 183236,7917 3069 706,19 3 1,55E+07 4,67E-02 -3,064292665
He I 184865,8293 1256 728,13 1 1,83E+07 5,00E-02 -2,996190021
29
Çizelge 4.1.’deki ln ifadesinin sonuçlarıyla Ek ifadesinin verilerinin eğimi alınarak
grafik çizilirse Şekil 4.3’deki Boltzmann grafiği elde edilir. Şekildeki noktalar
elektron sıcaklığı hesaplamak için kullanılan helyum atomlarının spektral dalga
boylarıdır
Şekil 4.3. Helyum plazması için Boltzmann dağılımı grafiği
Şekil 4.3.’deki grafiğin eğimi denklem (2.2)’de yerine yazılarak elektron sıcaklığı
hesaplandı.
.
30
4.2. Argon Deney Verileri
Şekil 4.4. Argon plazması için alınan optik salınım spektrumu
Şekil 4.4.’da gösterilen optik salınım spektrumlarının dalga boyu değerleri ve
geçişleri aşağıda belirtildi.
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 696 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 727 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 738 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°3/2)4p) 751 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°3/2)4p) 763 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°1/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 772 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°1/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 794 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°3/2)4p) 801 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°3/2)4p) 811 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°1/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 826 nm’de
Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°3/2)4p) 842 nm’de
31
Şekil 4.5. Argon FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu
Çizelge 4.2. Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan NIST
verileri
Çizelge 4.2.’deki ln ifadesinin sonuçlarıyla Ek ifadesinin verilerinin eğimi alınarak
Şekil 4.6.’deki Boltzmann grafiği elde edildi. Şekildeki noktalar elektron
sıcaklığını hesaplamak için kullanılan argon çizgileridir.
Atom Ek
(cm-1) Intensity
(I) 𝛌
(nm) gk Ak
(s-1) (
𝛪 ∗ 𝜆
gk ∗ Ak) ln (
𝛪 ∗ 𝜆
gk ∗ Ak)
Ar I 107289,7001 4154 738,4 5 8,47E+06 7,24E-02 -2,625166291
Ar I 105617,27 4317 801,24 5 9,28E+06 7,45E-02 -2,596333494
Ar I 107496,4166 3700 826,33 3 1,53E+07 6,66E-02 -2,708893367
32
Şekil 4.6. Argon plazması için Boltzmann dağılımı grafiği
Şekil 4.6.’deki grafiğin eğimi denklem (2.2)’de yerine yazılarak argon plazması için
elektron sıcaklığı hesaplandı.
Çizelge 4.3. Helyum ve Argon plazmalarının elektron sıcaklıkları ve elektron
yoğunluklarının gösterilmesi
Gaz Cinsi Akış Miktari (lt/dk)
RF Gücü (W)
RF Frekansı (MHz)
Elektron Sıcaklığı Te
(oK)
Elektron Yoğunluğu(ne)
(cm-3)
Helyum 13 1000 13,56 1089 4.1*1015
Argon 13 1000 13,56 3391 3*1018
33
5. TARTIŞMA VE SONUÇLAR
Atmosferik basınçta indüktif eşleşmiş plazma oluşturmak için 13,56 MHz
frekansında 1000 W gücünde RF güç kaynagı kullanılmıştır. 3 sarımdan oluşan 3
mm çapında bakır tel bobin kullanılmıştır. Empedans uyumlama devresi kendi
tasarımımız olup indüktif eşleşmiş plazma oluşturmak için özel dizayn edilmiştir.
Ateşleme ünitesi olarak yüksek sıcaklığa dayanıklı tungusten tel kullanılmıştır.
Boşalma tüpü olarak optik karakterizasyonu kolaylaştırmak için şeffaf ve yüksek
sıcaklığa (1000 0C ‘nin üzerine) dayanıklı kuvars tüpler kullanılmıştır. Plazmayı
oluşturmak için gerekli gazlar olarak helyum ve argon soygazları kullanıldı. Helyum
ve argon plazmasının optik salınım spektrumları alındı. Optik salınım
spektrumlarından plazmanın elektron yoğunluğunun, elektron sıcaklığının
hesaplanmasına geçiş yapılmıştır.
Elektron yoğunluğunu ölçmek için genellikle hidrojen atomunun balmer serisinden
olan Hα ve Hβ çizgileri kullanılmaktadır. Atmosfer ortamında oluşturulan
plazmalarda havada bulunan nemden dolayı ölçülen spektrum değerlerinde hidrojen
atomunun balmer serisi çizgileri görülebilir. Alfa ve beta çizgileri dalga boyu olarak
sırasıyla Hα=656 nm ve Hβ=486 nm’dir. Hesaplama metodu olarak yarım
yükseklikteki tam genişlik (FWHM) değeri kullanılmıştır.
FWHM değerinden yararlanarak argon plazmasının elektron yoğunluğunu
hesaplanmıştır. Teorik FWHM değeri argon lambası referans alınarak bulunmuştur.
FWHM değerleri teorik hesaplarla veya grafik programları yardımıyla hesaplanabilir.
Helyum plazmasının elektron yoğunluğunu hesaplamak için hidrojen çizgilerinin
kullanılmadığı bağıntı kullanılmaktadır. Helyumun elektron yoğunluğunu
hesaplamak için genellikle 501 nm ve 667 nm spektral çizgileri kullanılmaktadır.
Helyum 667 mm spektral çizgisi için WFWHM değeri hesaplama programı yardımı ile
0,93275 nm olarak bulundu. Elektron sıcaklığı olarak helyum için bulunan değer
kullanıldı. Gerekli ifadeler yerlerine yazılarak Ne değeri 4,1x1015 cm-3 olarak
bulundu.
34
Helyum gazının elektron sıcaklığını ölçmek için Maxwell-Boltzmann dağılım
fonksiyonu kullanıldı. Bunun için helyum plazmasından alınan optik salınım
değerleri ve şiddetleri kullanıldı. Daha sonra elektron sıcaklığını hesaplamak için
kullanılan optik salınım değerleri yardımı ile elektron sıcaklığının uyarma enerjisine
bağlı grafiği çizildi. Helyum gazı için buldugumuz elektron sıcaklığı 1089 0K dir.
Argon plazmasının elektron yoğunluğunu hesaplamak için (StarkBroadening)
bağıntısı kullanıldı. Elektron yoğunluklarını ölçmek için argon plazması için en
şiddetli dalga boyundaki yarım yükseklikteki tam genişlik (FWHM) değeri
kullanıldı.
Teorik FWHM değeri argon lambası kullanılarak hesaplandı. 738,45 nm dalga
boyunda olan argon çizgisi için teorik genişlik 0,97064 nm, deneysel genişlik
1,40626 nm olarak bulundu. Elektron etki parametresi NIST veritabanından 738,45
nm için 0,0071 nm olarak alındı. Bulunan ifadeler yerine yazılarak argon plazması
için elektron yoğunluğu hesaplandı. Argon plazması için elektron yoğunluğu 3x1018
cm-3 bulunmuştur.
Çizelge 4.2.’deki ln ifadesinin sonuçlarıyla Ek ifadesinin verilerinin eğimi alınarak
Şekil 4.6.’deki Boltzmann grafiği elde edildi. Şekil 4.6.’deki grafiğin eğimi
denklem (2.2)’de yerine yazılarak argon plazması için elektron sıcaklığı hesaplandı.
Argon plazması için elektron sıcaklığı 3391 0K bulunmuştur.
Sonuç olarak yapılan bu çalışmalara göre atmosferik basınç altında indüktif eşleşmiş
plazma yönteminin endüstriyel kullanımda daha verimli, daha uzun ömürlü daha
kolay elde edilebilen, çeşitli kimyasalların sentezlenmesinde kullanılabilecek bir
plazma çeşidi olduğu anlaşılmaktadır. Örnek olarak atmosferik basınçta elmas,
karbon ve günümüzde ito kaplı camların yerini alacak olan grafen üretilebilmektedir.
Bu saydığımız ürünler vakum ortamlarındada sentezlenebilmektedir. Fakat bu
sistemin kurulumunun kolay ve ucuz olması daha fazla talep görmesine sebep
olmaktadır. Çünkü vakum sistemlerinin kurulumu zahmetli ve yüksek maliyetlidir.
35
KAYNAKLAR
A. Fridman, G. Friedman, “Plasma Medicine”, John Wiley & Sons, 592p., (2012).
A. Bogaerts, E. Neyts, R. Gijbels, J. van der Mullen, "Review: Gas discharge .
plasmas and their applications", Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609–
658
A. Bogaerts, E. Neyts, R. Gijbels, J. van der Mullen. “Review article: Gas discharge
plasmas and their applications”. Spectrochimica Acta Part B, 57: 609-658,
2002.
A. Merkhouf and M. I. Boulos, Plasma Sources Sci. Technol., Vol. 7, p.599, 1998.
A. B. Murphy, J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 34, p.R151, 2001.
A. Smolyakov, V. Godyak and A. Duffy, Phys. Plasmas, Vol. 7, p.4755, 2000.
Babat G.I., J. Inst. Electron. Eng.,94,27 (1947)
C. W. Chung, S. H. Seo and H.Y. Chang, Phys. Plasmas, Vol. 7, p.3584, 2000.
Charles B. Boss and Kenneth J. Fredeen “Concepts, Instrumentation and Techniques
in Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry “, Perkin
Elmer, USA 1997.
D. Loffhagen, R. Winkler. J. Comput. Phys. 91: 112, 1994.
F. F. Chen. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion. Plenum Press,
1983.
G. Petitpasa, J.-D. Rolliera, A. Darmonb, J. Gonzalez-Aguilara, R. Metkemeijera, L.
Fulcheria, "Acomparative study of non-thermal plasma assisted reforming
technologies", International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2848 –
2867.
Gozadinos G., Turner M.M., and Vender D., PHYS. Rev. Levtt., 87 (2001)
Godyak V.A., Sov.J. Plasma Phys.,2,78 (1976)
36
G. Cunge, B. Crowley, D. Vender, M.M. Turner. “Characterization of the E to H
transition in a pulsed inductively coupled plasma discharge with internal coil
geometry: bi-stability and hysteresis”. Plasma Sources Sci. Technol., 8: 576-
586, 1999.
Griem, H., 1997. Principles of Plasma Spectroscopy, Cambridge University Press.
Hahn, T.D., Wiese, W.L., 1990. Atomic transition probability ratios between some
ArI 4s-4p and 4s-5p transitions. Phys. Rev. A, Gen. Phys., 42, (9), 5747–5749.
H. Kikuchi, “Laboratory and Space Plasmas”, Springer, 657p., (1988)
Hopwood, “Planar RF induction plasma coupling efficiency,”Plasma Sources
Science and Technology, vol. 3, no. 4,pp. 460–464, 1994.
H. Sugai, K. Nakamura and K. Suzuki. “Electrostatic coupling of an antenna and the
shielding effect in inductively RF plasmas”. Jpn. J Appl. Phys., 33: 2189-
2193, 1994.
Hasegawa T and Haraguchi H. Fundamental Properties of Inductively Coupled
Plasmas, "Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectrometry,"
A. Montaser and D. W. Golightly, Eds., 2nd ed., VCH Publishers, New York,
1992.
I. Langmuir. “Oscillations in ionized gases”. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., 14: 628- c
637, 1928, also available in The collected works of Irving Langmuir, C. G.
Suits, Ed. New York: Pergamon, 5: 111-120, 1961.
Jeffrey S. Crain, R. S. Houk,* and David E. Eckels “Noise Power Spectral
Characteristics of an Inductively Coupled Plasma Mass
Spectrometer”ANALYTICAL CHEMISTRY, VOL. 61, NO. 6, MARCH 15,
1989.607
Jeffrey S. Crain , R. S. Houk , David E. Eckels“Noise power spectral characteristics
of an inductively coupled plasma-mass spectrometer”Anal. Chem.,1989, 61
(6), pp 606–612
J Reece Roth, Industrial Plasma Engineering - Volume 1: Principles, Institute of
Physics Publishing, Bristol, 1995.
37
J. Hopwood, “Review of inductively coupled plasmas for plasma processing”,
Plasma Sources Sci. Technol. 1 (1992), 109-116.
J.K. Olthoff, K.E. Greenberg. “The Gaseous Electronics Conference RF Reference
Cell – An Introduction”. J. Res. Natl. Stand. Technol.,100: 327-340, 1995.
J.T. Gudmundsson, M.A. Lieberman. “Magnetic induction and plasma impedance
in a planar inductive discharge” Plasma Sources Sci. Technol. 7: 83-95, 1997.
Jong Hyeuk Lim, Kyong Nam Kim, Gwang Ho Gwon, Seng Pyo Hong, Seok Hwan
Kim and Geun Young Yeom”Characteristics of internal inductively coupled
plasma with a ferrite module” Journal of Physics D: Applied Physics Volume
43 Number 9, 2010
Jin Seok Seo1, Kyoung Nam Kim1, Ki Seok Kim1, Tae Hyung Kim1 and Geun
Young Yeom1,2 ”Characteristics of pulsed dual frequency inductively
coupled plasma” Japanese Journal of Applied Physics Volume 54 Number
1S, 2015
K.J. An*, H.S. Kim, J.B. Yoo, G.Y. Yeom“A study on the characteristics of
inductively coupled plasma using multidipole magnets and itsapplication to
oxide etchingThin Solid Films 341 (1999) 176-179
Kyong Nam Kim∗ and Geun Young Yeom “Plasma and Electrical Characteristics of
a Novel Internal Linear Inductively Coupled Plasma Sourcefor Flat Panel
Display Applications”Journal of the Korean Physical Society, Vol. 48, No. 3,
March 2006, pp. 422∼426
Katsuyuki Okada, Shojiro Komatsu, and Seiichiro Matsumoto “Characteristics of
Broad-Band Frequency Low Pressure Inductively Coupled . Plasma
Used forNanostructured Carbon Deposition” 1-1 Namiki, Tsukuba,
Ibaraki 305-0044, Japan
K. Yoshida,H.Miyamoto, E. Ikawa, and Y.Murao, “Gate electrodeetching using a
transformer coupled plasma,” JapaneseJournal of Applied Physics, vol. 34,
pp. 2089–2094, 1995.
Konjevic, N., Lesage, A., Fuhr, J.R., Wiese, W.L., 2002. Experimental stark widths
and shifts for spectral lines of neutral and ionized atoms. J. Phys. Chem. Ref.
Data, 31, (3), 819–927.
Konjevic, N., Roberts, J.R., 1976. Experimental Stark Widths and Shifts for Spectral
Lines of Neutral Atoms. J. Phys. Chem. Ref. Data 5, (2), 619-647.
L. Tonks. “The birth of plasma”. Amer. J. Phys., 35: 857–858, 1967.
Liberman M.A., Godyak V.A., IEEE Trans. Plasma Sci., 26, 955 (1998)
38
Lieberman M.A.,Lictenberg A.J., Principles of plasma Discharge and Materials
Processing, John Wiley &Sons. Inc (1994)
Maryam Aghaei,*a Helmut Lindnera and Annemie Bogaertsa“Effect of a mass
spectrometer interface on inductively coupled plasma characteristics: a
computationalstudy”J. Anal. At. Spectrom., 2012,27, 604-610
Magazine, 2004. http://www.avmagazine.it/articoli/stampa/mobile/818/mobile-
display-benchmark_index.html. Erişim tarihi: 05.09.2013.
M. A. Liebermann and A. J. Lichtenberg. Principles of Plasma Discharges and
Materials Processing. Wiley & Sons, 1994.
M.M. Turner. “Collisionless Electron Heating in an Inductively Coupled Discharge”
Phys. Rev. Lett., 71: 1844-1847, 1993.
M. M. Turner, M. A. Liebermann. “Hysteresis and the E-to-H transition in
radiofrequency inductive discharges”. Plasma Sources Sci. Technol.,8: 313-
324, 1999.
Omar, B., 2011. Spectral Line Broadening in Dense Plasmas. Journal of Atomic,
Molecular, and Optical Physics, 1-8.
Okumura,” Inductively Coupled Plasma Sources and Applications”, Hindawi
Publishing Corporation Physics Research International Volume 2010, Article
ID 164249, 14 pages doi:10.1155/2010/164249
P.A Miller, G.A. Hebner, K.E. Greenberg, P.D. Pochan, B.P. Aragon. “An
InductivelCoupled Plasma Source for the Gaseous Electronics Conference RF
Reference Cell” J. Res. Natl. Stand. Technol.,100: 427-440, 1995.
R. Hippler, S. Pfau, M. Schmidt, K. H. Shoenbach. Low Temperature Plasma
Physics, Wiley-VCH, 2001.
S. R. Koirtyohann, J. S. Jones, C. P. Jester, and D. A. Yates, Use of Spatial Emission
Profiles and a Nomenclature System as Aids in Interpreting Matrix Effects in
the Low-Power Argon Inductively Coupled Plasma, Spectrochim. Acta .
36B, 49 - 59 (1981)
S. C. Brown. “A short history of gaseous electronics”. Gaseous electronics, M. N.
Hirsh and H. J. Oskam, Eds. New York: Academic, 1: 1–18, 1978.
S. Xu, K. N. Ostrokov, Y. Li, E. L. Tsakadze and I. R. Jones, Phys. Plasmas, Vol. 8,
p.2549, 2001.
39
Sbig, 2011. http://www.sbig.de/universitaet/glossar-htm/fwhm.htm. Erişimtarihi:
29.12.2011.
T. B. Reed, J. Appl. Phys., Vol. 32, p.821, 1961.
Tuszewski M. And Tobin J.A., j. Vac. Sci. Technol. A 14(3), 1096-1101 (1996)
T. Hasegawa and H. Haraguchi, Fundamental Properties of Inductively Coupled
Plasmas, "Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic
Spectrometry," A. Montaser and D. W. Golightly, Eds., 2nd Edition,
VCH Publishers, New York, 1992.
U. Kortshagen, I. Pukropski, and M. Zethoff, “Spatial variation of the electron
distribution function in a rf inductively coupled plasma: Experimental and
theoretical study”, J. Appl. Phys. 76 (1994), 2048-2058.
V. A. Godyak, R. B. Piejak and B. M. Alexandrovich, J. Appl. Phys., Vol. 85, p.703,
1999.
W. Hittorf, Wiedsmann Ann. D. Physik., Vol. 21, p.90 1884.
Xiandeng Hou and Bradley T. Jones”Inductively Coupled Plasma/Optical Emission
Spectrometry” Encyclopedia of Analytical Chemistry R.A. Meyers (Ed.) pp.
9468–9485
Yu. P. Raizer. Gas Discharge Physics. Springer-Verlag, 1997.
Yu. P. Raizer, M. N. Schneider, N. A. Yatsenko. Radio-frequency capacitive
discharge. CRC Press London, 1995.
Y. Tanaka and T. Sakuta, J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 35, p.468, 2002.
Zhang, Q., Zhang, G., Wang, S., Wang, L., Huo, N., 2010. Characteristics of
Microwave Plasma Torch at Atmospheric Pressure. IEEE Transactıons
OnPlasma Science, 38, (11), 3197-3200
Zander, A.T., Hieftje, G.M., 1981. Microwave Supported Discharges. Appl.
Spectrosc., 35, 357-371.
40
ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Yakup DURMAZ
Doğum Yeri ve Yılı : Kozluk, 1988
Madeni Hali : Bekar
Yapancı Dili : İngilizce
Cep Telefonu :0507 266 72 14
E-posta :[email protected]
Ehliyet : B (2012)
Eğitim Durumu
Lisans Süleyman Demirel Üniversitesi - (Örgün Öğretim)
Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü – Türkçe
Önlisans Süleyman Demirel Üniversitesi - (Örgün Öğretim)
Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu, Yapı denetim
Teknikeri
Lise Batman Gazi Lisesi
Bilgisayar Bilgileri
Microsoft Ofis Programları, AutoCad, SolidWorks, Comsol, Unix, Linux,
C++,LabView, CorelDraw, Grafik Tasarım ve Photoshop
Sertifika Bilgileri
İş Sağlığı ve Güvenliği Uzmanı
İngilizce Orta Seviye
Grafik Tasarım ve Photoshop
XRF Analyzer - Thermo Scientific / USA
41
Internet Design and Technology - ICOPS 2015 / IEEE
Nikon Image Analysis Software - Nikon
Nikon Inverted Microscopes - Nikon
ShuttlePix 3D Lab. Microscopes - Nikon
İş Deneyimleri
Isparta Yapı Kalite Kontrol Labaratuarı ve Risk Kentsel Dönüşüm Merkezi
(02.05.2014/26.09.2014)
MD Mühendislik, (2014-2015)
Plazma Araştırma Laboratuvarı, Süleyman Demirel Üniversitesi, 2014-
devam.
Yayınlar
Durmaz, Y., Bozduman, F., Koc, U., Ismael, M., Noree, S., Gulec, A., Oksuz, L.,
2015. Inductively coupled plasma for graphene production, ICOPS, Antalya.
Bozduman, F., Gulec, A., Noree, S., Durmaz, Y., Ismael, M., Uygun Oksuz, A.,
2015. Graphene synthesıs by atmospheric pressure microwave plasma, ICOPS,
Antalya.
Ismael, M., Bozduman, F., Gulec, A., Noree, S., Al-Mamoori, M., Durmaz, Y., Koc,
U., Ulusoy, S., 2015. Plasma treatment for the ınactivation of escherichıa coli in
water, ICOPS, Antalya.
Al-obaidi, S.N., Bozduman, F., Koc, U., Gulec, A., Ismael, M., Durmaz, Y., Oksuz,
L., 2015. Graphene synthesıs by PECVD , ICOPS, Antalya.