Estudio de los plasmas producidos por onda de superficie en régimen de pulsos
- Autores: Antonio Gamero
- Directores de la Tesis: Vicente Colomer Viadel (dir. tes.), José Cotrino Bautista (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 1987
- Idioma: español
- Número de páginas: 336
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Barrero Ripoll (presid.), Rafael Antonio Gómez Martín (secret.), José Antonio Gistas Peyrona (voc.), Bernardo García Olmedo (voc.), Manuel Horno Montijano (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
A mediados de los años setenta se empezaron a producir largas columnas de plasma mediante la aplicación de energía de microondas, creándose la descarga por la propagación de una onda de superficie. En este tipo de descargas la energía de microondas es acoplada utilizando una estructura de excitación situada en el exterior del tubo de plasma.
Los plasmas producidos por onda de superficie presentan un cierto número de ventajas frente a otros tipos de descargas. Ello ha provocado que, desde su aparición, estos plasmas hayan experimentado un gran desarrollo. En la actualidad son ya numerosas las aplicaciones (tratamiento de superficies, excitación laser, química de plasmas,…) donde son utilizadas estas descargas.
El trabajo que se presenta aquí tiene por objeto contribuir a la caracterización de los plasmas producidos por onda de superficie, especialmente en lo que se refiere a los producidos en régimen pulsante, de forma que nos permita el estudio de los procesos transitorios de este tipo de plasmas. La presente memoria se ha dividido en cuatro capítulos, atendiendo a los sucesivos aspectos abordados en el estudio de estos plasmas.
En el primer capítulo se describen las características generales de los plasmas producidos por microondas. Se analiza primero el problema de la modelización de estas descargas, exponiendo después las diferentes estructuras de excitación para los plasmas producidos por microondas. A continuación se estudian los mecanismos de producción y pérdida de electrones, analizando las condiciones de ruptura, mantenimiento y excitación del plasma. Por último, al final del capítulo, se señalan las principales aplicaciones de las descargas producidas por microondas.
El segundo capítulo está dedicado a la modelización de los plasmas producidos por onda de superficie. En primer lugar se estudian las características propagativas de la onda de superficie en una columna de plasma. A continuación se expone el modelo cinético que describe radialmente la descarga, y que permite realizar un modelo simplificado para caracterizar longitudinalmente las columnas de plasma. Se presentan después los estudios existente para este tipo de plasmas en régimen de impulsión, finalizando con una descripción de las estructuras de excitación utilizadas para acoplar la energía al plasma.
En el capítulo tercero se estudia el proceso de formación de la columna de plasmar. Se describen en primer lugar los dispositivos experimentales utilizados para la producción de este tipo de plasmas. A continuación, y a partir de las medidas del campo eléctrico y de la señal luminosa, analizar el avance del frente de ionización que crea la descarga. Se estudia después de la dependencia de la velocidad de este frente con las condiciones experimentales, y por último, se realiza el estudio de los campos durante el proceso de formación del plasma.
En el cuarto capítulo se analiza el proceso de estabilización de la columna de plasma. Se determina para ello, mediante un método de muestreo, la evolución de la densidad electrónica y de la potencia de la onda de superficie a lo largo de la columna. A partir de la variación de la densidad electrónica durante el proceso transitorio de la descarga se determinan, por primera vez en este tipo de plasmas, los coeficientes de recombinación. Esto nos permite analizar el margen de validez de la teoría de difusión y el proceso de ionización en la descarga.
CONCLUSIONES Los resultados presentados en este trabajo permiten obtener las conclusiones que a continuación se exponen:
1. En el proceso de creación de los plasmas producidos por onda de superficie pueden distinguirse dos etapas bien diferenciadas. Una primera fase en la que el frente de ionización ioniza al gas neutro hasta una densidad electrónica igual a la densidad de corte de la onda de superficie. Y una segunda fase en la que el plasma es ionizado desde esta densidad de corte hasta la correspondiente densidad electrónica estacionaria.
2. Durante el proceso de formación el gas neutro es ionizado por el frente de ionización que avanza a lo largo de la descarga, hasta ionizar por completo la columna de plasma estacionaria. En el margen de las condiciones experimentales estudiadas, los tiempos necesarios para ionizar la columna completa estacionaria aumentan progresivamente con la presión de la descarga. Las longitudes de la columna final estacionaria son proporcionales a la raíz cuadrada de la potencia total absorbida por el plasma. A una misma potencia absorbida las longitudes de la columna de plasma presentan un máximo para un valor del producto p.a entre 1 y 2 Torr.cm. Hemos demostrado que este cambio de comportamiento se debe a un cambio de régimen en la descarga. Para ese valor del producto p.a el plasma deja de estar regido exclusivamente por difusión, siendo significativas las pérdidas por recombinación.
3. La velocidad de avance del frente de ionización disminuye desde su valor máximo a nivel del acoplador de energía hasta anularse al final de la columna estacionaria. Para unas mismas condiciones de presión y radio de la descarga, la variación de la velocidad del frente de ionización con la posición medida desde el final de la columna estacionaria es única, independientemente de la potencia aplicada al plasma.
4. La velocidad del frente de ionización a lo largo de la descarga puede expresarse como una función exclusivamente de la potencia incidente estacionaria a lo largo de la columna y del producto de la frecuencia de colisión por el radio de la descarga. A una misma potencia incidente la velocidad del frente de ionización presenta un máximo para un determinado valor del producto γ.a. La localización de este máximo es función a su vez de la potencia incidente considerada.
5. La distribución de los campos en los distintos medios que constituyen la descarga varía significativamente durante el proceso de formación del plasma. Una vez pasado el frente de ionización, el campo eléctrico en el interior de la descarga presenta un máximo en los primeros instantes de la creación del plasma. Este máximo está asociado con el máximo de la señal luminosa emitida por el plasma y con el máximo existente para la frecuencia de ionización en los primeros instantes.
6. Dado que la velocidad del frente de ionización es inferior a la velocidad de grupo de la onda de superficie, se produce en el frente de ionización una reflexión de la señal que se propaga desde el surfatrón hacia el final de la columna. Una vez pasado el frente de ionización, el proceso de estabilización de la descarga está perturbado por la señal reflejada. Esta perturbación es más significativa a medida que el producto p.a es mayor, llegando a provocar incluso que durante la creación del plasma la densidad electrónica tome valores superiores al correspondiente en el estado estacionario.
7. El tiempo necesario para la estabilización de la densidad electrónica desde la llegada del frente de ionización aumenta de forma exponencial con la posición medida desde el final de la columna estacionaria. Para presiones inferiores a un Torr este proceso de estabilización está condicionad por las pérdidas por difusión. A presiones más elevadas, sin embargo, la estabilización está condicionada por las pérdidas debidas a la recombinación en la descarga.
8. Se ha determinado experimentalmente por primera vez en este tipo de descargas los coeficientes de recombinación electrónica. Los resultados obtenidos utilizando estos coeficientes de recombinación confirman la validez de estas medidas. La comparación en nuestras condiciones experimentales entre las pérdidas debidas a la difusión ambipolar y a la recombinación electrónica han puesto de manifiesto que para un valor del producto p.a superior a 2 Torr.cm, las pérdidas por recombinación no pueden ser despreciadas.
9. El modelo cinético que considera al plasma regido por difusión describe convenientemente a la descarga para valores del producto p.a inferiores a 2 Torr.cm. Sin embargo, la descarga se aparta de esta caracterización para valores mayores del producto de p.a. En el margen de condiciones experimentales donde el plasma está regido por difusión, se ha obtenido una ley de similitud para el campo efectivo utilizando las leyes de similitud existentes para este tipo de descargas. En estas condiciones el producto del campo efectivo por el radio de la descarga es una constante del sistema que depende solo del tipo de gas utilizado.
10. Para las columnas de plasma en régimen de difusión se ha obtenido así mismo la dependencia de la frecuencia de ionización con el campo efectivo, independientemente del radio de la descarga. En las descargas controladas por difusión, la frecuencia de ionización partida por la presión es proporcional al cuadrado del cociente entre el campo efectivo y la presión.
