Plasmaaken on plasmaväli, mis täidab mingi ala ruumis. See toimib sarnaselt jõuväljaga, kuid on tegelikult ioniseeritud gaasi ehk plasmaga moodustatud piirkond. Ala luuakse sageli tugeva magnetismi ja/või elektriväljade abil, mis hoiavad plasma paigal ja suunavad selle kuju. Praktikas on sellised aknad tavaliselt suhteliselt väikesed; nende geomeetria võib olla näiteks silindri kujuline või olla piiratud lamedate tasapindade vahel paikneva sektsioonina.

Kuidas plasmaaken töötab

Plasma on kuum, osaliselt ioniseeritud gaas, kus vabad elektronid ja ioonid vastutavad suuremahulise elektrilise juhtivuse eest. Kui plasma temperatuur ja tihedus kasvavad, muutub see „paksemaks“ ehk selle kollektiivsed omadused muutuvad tugevamaks. Piisavalt kõrge elektronide tiheduse ja temperatuuri puhul võib plasma luua eralduspiiri, mis hoiab ühelt poolt vaakumi ja teiselt poolt atmosfääri sarnase keskkonna eraldi.

Oluline omadus on see, et plasma ei käitu kõigi sagedustega kiirguse suhtes samamoodi: kõrge sagedusega elektromagnetlainete (näiteks mõnede laseri lainepikkuste) puhul on plasma sageli läbipaistev, mistõttu kiirgus võib sellest läbi minna. Samas madalamate sageduste korral (kui sagedus on madalam kui plasma nn. plasmafrekvents) võib plasma toimida peegeldajana ja blokeerida kiirguse. Seetõttu saavad teadlased kujundada plasmaaknaid nii, et need võimaldavad vajalikul lainepikkusel kiirgusel läbipääsu, samal ajal säilitades vaakumtingimuse vastaspoolel.

Teostus ja töömeetodid

Plasmaakna tekitamiseks kasutatakse erinevaid meetodeid: elektrikaareid, kõrgsageduslikku (RF) pinget, mikrolaineid või plazmatorke koos gaasivooluga. Magnetvälju kasutatakse tihti plazma stabiliseerimiseks ja selle kuju piiramiseks. Konstruktsioon peab arvestama kõrgeid temperatuure ja voolutugevusi, samuti jahutust ning materjalide vastupidavust, sest plasmakontaktid ja pinged võivad põhjustada erosiooni.

Rakendused ja piirangud

  • Vakumi ja atmosfääri kombineeritud katsed: plasmaakent kasutatakse juhtudel, kus soovitakse viia vaakumis tekitatud kiirgust või osakesi töödeldavasse atmosfäärilisse piirkonda ilma klassikalist tahket akent kasutamata.
  • Laser- ja osakestekiired: võimaldab lasta läbi lasersõlmi või kiirte vaakumit nõudvatest seadetest väljapoole töökeskkonda.
  • Tootmine ja materjalitöötlus: kasutatav suletud protsesside, pinnatöötluse või keevituse ajal, kus vajalik on kombinatsioon kõrgsageduslikust kiirgusest ja kontrollitud gaasikeskkonnast.

Kõrged energiakulud, piiratud mõõtmed, plazma stabiilsuse tagamine ja materjalide kulumine on peamised praktilised piirangud. Lisaks tuleb arvestada, et plasma läbilaskvus sõltub lainepikkusest ja plasma omadustest — mitte iga tüüpi kiirgus ei pruugi olla sobiv läbimiseks.

Lühiajaline ajalooline märk

Plasmaakna kontseptsiooni uuriti ja arendati praktikas alates 1990ndatest; tuntumaks sai see tehnoloogia teaduslikes katsetes ja mõnes tööstuslikus rakenduses, kus vajalik oli viia läbi kiirgust või partiklivooge läbi vaakumi ja atmosfääri piiri ilma tahket akent kasutamata.

Kokkuvõtlikult on plasmaaken paindlik ja huvitav lahendus vaakumi ja atmosfääri vaheliseks eraldamiseks, mis võimaldab samal ajal kiirguse juhtimist ning avab võimalusi spetsialiseeritud teadus- ja tööstusprotsesside jaoks.