Plasma (Physik)

Grundbegriff und zentrale Eigenschaften

Ein Plasma ist in der Physik ein Teilchengemisch aus Ionen, freien Elektronen und meist auch neutralen Atomen oder Molekülen. Es enthält also freie Ladungsträger und ist deshalb elektrisch leitfähig. Der Ionisationsgrad, also der Anteil der ionisierten Teilchen, kann unter 1 % liegen oder 100 % erreichen; dann ist das Plasma vollständig ionisiert. Weil Plasma durch weitere Energiezufuhr aus einem Gas entstehen kann, wird es oft als vierter Aggregatzustand bezeichnet.

Die Eigenschaften eines Plasmas hängen von den vorhandenen Teilchenarten, ihren Dichten und Temperaturen sowie von Ladungen, Strömen, elektrischen und magnetischen Feldern ab. Temperaturen verschiedener Teilchenarten müssen nicht gleich sein. Plasmen können sich in manchen Fällen wie elektrisch leitende Gase verhalten und mit Magnetohydrodynamik beschrieben werden. Häufig müssen aber zusätzlich Transportprozesse, Ionisation, Rekombination, Dissoziation, chemische Reaktionen, Anregung und Absorption berücksichtigt werden.

Typisch für Plasmen sind drei Kennzeichen: Die Debye-Länge ist klein gegenüber den Abmessungen des Plasmas; der Plasmaparameter, also die Anzahl von Teilchen in einer Kugel mit Radius der Debye-Länge, ist groß; und die Zeit zwischen Stößen ist lang gegenüber der Periode der Plasmaoszillationen. Plasmen sind normalerweise quasineutral: Positive und negative Ladungen gleichen sich ungefähr aus, sodass die Netto-Ladungsdichte im Vergleich zur Elektronendichte sehr klein ist. Ausnahmen treten nur in Bereichen von der Größe der Debye-Länge auf, zum Beispiel in Randschichten.

Charakteristisch ist oft ein Leuchten, das durch Strahlung angeregter Gasatome, Ionen oder Moleküle entsteht. Sehr kalte Plasmen im Weltraum oder extrem heiße, vollständig ionisierte Plasmen wie im Inneren von Sternen können davon abweichen.

Arten, Benennungen und Klassifizierung

Der Artikel unterscheidet drei Formen: normales ideales Plasma mit Gleichgewicht zwischen Neutralteilchen, positiv ionisierten Ionen und negativen Ionen; grenzwertiges Plasma mit Gleichgewicht zwischen Neutralteilchen, positiv ionisierten Teilchen und energetisch angehobenen Elektronen; und entartetes Plasma, bei dem thermische Wellenlängen und weniger Compton-Wellenlängen überwiegen.

Plasmen werden oft nach ihren Eigenschaften benannt, zum Beispiel als Hochdruck- oder Niederdruckplasma, kaltes oder heißes Plasma, nichtideales oder dichtes Plasma. Auch Bestandteile und Erzeugungsart können in der Bezeichnung vorkommen, etwa Quecksilber-Hochdruckplasma oder Edelgas-Niederdruckentladung. In der Teilchenphysik heißt der quasi-freie Zustand von Quarks und Gluonen analog Quark-Gluon-Plasma.

Ein wichtiges Klassifikationsmerkmal ist der Plasmadruck. Niederdruckplasmen entstehen in stark verdünnten Gasen, etwa in Glimmlampen, Leuchtstofflampen oder beim Polarlicht. Normaldruck- oder Atmosphärendruckplasmen entstehen ungefähr bei atmosphärischem Druck; Beispiele sind dielektrische Barriereentladungen und Lichtbögen beim Schweißen. Hochdruckplasmen haben einen deutlich höheren Druck als die Atmosphäre, etwa in Hoch- und Höchstdruck-Gasentladungslampen sowie kurzzeitig in Blitzen und Funken.

Auch das thermische Gleichgewicht ist wichtig. Im vollständigen thermischen Gleichgewicht haben schwere Teilchen und Elektronen dieselbe Temperatur und stehen im Strahlungsgleichgewicht mit der Umgebung. Im lokalen thermischen Gleichgewicht haben alle Teilchenarten näherungsweise dieselbe lokale Temperatur, aber kein Gleichgewicht mit dem Strahlungsfeld; dies gilt zum Beispiel für viele technische Plasmen mit Temperaturgradienten. In nicht-thermischen Plasmen sind Elektronen viel heißer als die schweren Teilchen. Elektronen können Temperaturen von mehreren 10.000 Kelvin erreichen, während Ionen und Neutralgas zum Beispiel nahe Raumtemperatur bleiben. Solche Plasmen eignen sich zur Bearbeitung temperaturempfindlicher Werkstoffe.

Der Ionisationsgrad beschreibt den Anteil der durch Ionisation veränderten Teilchen. Bei thermischem oder lokal thermischem Gleichgewicht beschreibt die Saha-Gleichung den Ionisationsgrad als Funktion von Temperatur, Dichte und Ionisierungsenergien. Heiße thermische Plasmen wie Sonnenkorona oder Fusionsplasmen sind fast vollständig ionisiert. Technische Niederdruckplasmen erreichen dagegen höchstens wenige Promille und können außerhalb des thermischen Gleichgewichts nicht mehr durch die Saha-Gleichung beschrieben werden.

Vorkommen und technische Bedeutung

Mehr als 99 % der gesamten sichtbaren Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Dazu gehören die Sonne und alle leuchtenden Sterne sowie dünne Materie im Weltraum wie Sonnenwind und interstellare Materie. Auf der Erde kommen natürliche Plasmen in der Ionosphäre und in Blitzen vor. Flammen besitzen je nach Temperatur trotz schwacher Ionisierung teilweise Plasmaeigenschaften.

In der Biosphäre gibt es keine praktisch nutzbaren natürlichen Plasmen. Für technische Anwendungen muss Plasma daher erzeugt werden, meist durch Gasentladung. Genutzt werden chemische und physikalische Prozesse im Plasma. Wichtige Anwendungen sind Gasentladungslampen wie Energiesparlampen, Leuchtstofflampen und Bogenlampen, Verfahren der Oberflächentechnik, Analysentechnik, Werkstoffverarbeitung, Plasmabildschirme, Kernfusionsreaktoren und Plasmamedizin.

In der Oberflächentechnik dienen Plasmen zum Plasmaätzen, zur plasmainduzierten Materialabscheidung PECVD, zur Kathodenzerstäubung, zur Beschichtung, Reinigung, Aktivierung, Oberflächenhärtung und Plasmaoxidation. In der Analysentechnik werden sie zum Aufschließen von Probenmaterialien und in Messgeräten zum Spurennachweis von Metallen verwendet, etwa bei ICP, ICP-MS und LIBS. In der Werkstoffverarbeitung werden Plasmaschweißen, Funkenerodieren, Plasmaspritzen und Plasmaschneiden genannt.

Für Kernfusionsreaktoren ist der Plasmazustand notwendig, weil thermonukleare Reaktionen darin stattfinden. In der Plasmamedizin werden Plasmen zur Desinfektion von Gegenständen, Körperteilen und Wunden eingesetzt. Bei der Coblation können energiereiche Ionen menschliches Gewebe bei relativ geringen Temperaturen unter 70 °C trennen, zum Beispiel bei Eingriffen an Bandscheiben, Gaumenmandeln oder Nasenmuscheln.

Beleuchtung, Chemie und physikalische Anwendungen

In der Beleuchtungstechnik wird das typische Leuchten von Plasmen genutzt. Schnelle Elektronen stoßen mit Gasatomen oder Molekülen zusammen und führen Elektronen in deren Hülle Energie zu. Diese Energie wird später als Licht abgegeben. Das Spektrum hängt stark von Gasart, Druck und mittlerer Energie der Elektronen ab.

Manchmal kann das Licht direkt genutzt werden, etwa bei bestimmten Metalldampf-Hochdrucklampen wie Natriumdampflampen mit stark gelbem Licht oder bei Xenon-Hochdruckentladungen. Bei Quecksilberdampflampen liegt die Emission eher im UV-Bereich. Dann wandeln Leuchtstoffe an der Wand des Entladungsgefäßes ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht um. Beispiele sind Leuchtstofflampen, Energiesparlampen und Quecksilberhochdrucklampen.

Plasmachemische Anwendungen nutzen hohe Konzentrationen reaktiver Molekülbruchstücke. Industrielle Syntheseverfahren mit Plasma erwiesen sich wegen der komplexen Plasmazusammensetzung oft als aufwendig und wenig effizient; heute werden solche Verfahren in der chemischen Synthese praktisch nicht mehr verwendet, sondern vor allem zur Entsorgung giftiger Gase. Als erste bekannte Anwendung in der chemischen Industrie nennt der Artikel das Birkeland-Eyde-Verfahren zur Stickstoffoxidation für Salpetersäure, das wegen schlechter Energieausbeute aufgegeben wurde.

Ein erfolgreiches Beispiel ist die Diamantsynthese, bei der Diamant aus dem Plasma auf eine Oberfläche abgeschieden wird. Die entstehende Schicht ist polykristallin und nicht von Schmuckdiamantqualität; die Wachstumsrate beträgt etwa 1 µm/h. Sehr wichtig ist Plasmachemie in der Halbleiterindustrie, besonders beim Trockenätzen und bei PECVD. Beim Plasmaätzen wird direkter Kontakt zwischen Plasma und Oberfläche für gezielten Materialabtrag genutzt; elektrische Felder in Wandnähe und Ionen im Plasma spielen eine Schlüsselrolle.

Physikalisch werden Plasmen zum Plasmaschneiden, Plasmaschweißen und Löten mit Plasmabrennern eingesetzt, meist erzeugt durch Lichtbögen. Neue Verfahren verwenden bei 2,45 GHz erzeugte Plasmen mit verschleißfreien Kupferelektroden. Plasmen dienen außerdem zur Vorbehandlung von Klebeverbindungen und sind in der deutschen Automobilindustrie dafür ein Standardverfahren. Die Magnetoplasmadynamik beschreibt strömende Plasmen im Magnetfeld; sie kann zur Stromgewinnung mit MHD-Generatoren oder als Raumfahrtantrieb dienen. Heiße, dichte Plasmen aus Laserimpulsen oder elektrischen Entladungen liefern EUV-Strahlung für die EUV-Lithografie.

Erzeugung und Energiezufuhr

Ein Plasma kann durch innere Energiezufuhr wie in der Sonne oder durch äußere Energiezufuhr wie bei technischen Gasentladungen erhalten werden. Wenn die Energiezufuhr ausbleibt oder Verluste durch Wärmeleitung und Strahlung größer sind als der Eintrag, geht der Plasmazustand verloren. Positive und negative Ladungsträger können dann zu neutralen Atomen, Molekülen oder Radikalen rekombinieren. Geladene Teilchen können außerdem durch ambipolare Diffusion an Wänden oder ins Vakuum verloren gehen.

Neue Ladungsträger entstehen zum Beispiel durch Stoßionisation: Elektronen mit genügend kinetischer Energie schlagen beim Zusammenstoß Elektronen aus Atomen, Ionen oder Molekülen heraus. Unter geeigneten Bedingungen kann daraus ein Lawineneffekt werden. In technischen Plasmen kann die räumliche Begrenzung schwierig sein, weil energiereiche Teilchen Wände, Werkstücke oder Elektroden schädigen können. Beim Sputtern wird der Materialabtrag gezielt genutzt.

Bei thermischer Anregung entstehen Ladungsträger durch Stoßionisation infolge der Wärmebewegung. Bei Normaldruck sind ungefähr 15.000 K nötig, um eine fast vollständige Ionisation zu erreichen; mit steigendem Druck steigt die erforderliche Temperatur. Auch exotherme chemische Reaktionen, Kernspaltung und Kernfusion können durch starke Erwärmung den Übergang in den Plasmazustand bewirken. Bei Strahlungsanregung erzeugt ionisierende Strahlung Ladungsträger, wenn ihre Quanten- oder Teilchenenergie die Ionisierungsenergie übersteigt; in Gasen ist dies bereits mit Ultraviolett möglich.

Elektrostatische Felder führen zu Entladungen oder Vorentladungen, zum Beispiel bei Gewitterblitzen und elektrostatischen Entladungen. Bei Gleichspannung wird zwischen zwei Elektroden eine ausreichend hohe Spannung angelegt; bei passender Spannung, passendem Elektrodenabstand und Gasdruck zündet eine Entladung. Die nötige Spannung hängt nach dem Paschen-Gesetz von Elektrodenabstand, Elektrodenform und Gasdruck ab. Bei hohem Stromfluss kann ein Lichtbogen entstehen, wie beim Elektroschweißen und bei Bogenlampen. Bei einer Drahtexplosion verdampft ein dünner Metalldraht durch hohen Stromfluss in Mikro- bis Millisekunden und bildet eine teilweise ionisierte Metalldampfwolke.

Elektromagnetische Felder können ebenfalls Plasma erzeugen. Bei kapazitiver Anregung bildet sich zwischen Platten in einem starken elektrischen Wechselfeld ein Plasma; die Teilchen oszillieren mit der Frequenz des Feldes. Bei induktiver Anregung erzeugt ein hochfrequenter Wechselstrom in einer Spule ringförmige Ströme im Plasma. Mikrowellenanregung nutzt zum Beispiel Mikrowellen eines Magnetrons; nach dem Zünden ändern sich Feldstärke und Impedanz stark. Beim Pinch-Effekt erzeugt der Strom im Plasma ein Magnetfeld, das das Plasma zusammenschnürt, dichter und heißer macht. Bei Strömen von einigen zehn Kiloampere können sehr dichte, heiße, stark ionisierte Plasmen entstehen, die Röntgenstrahlung emittieren oder sogar Kernfusion ermöglichen.