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  • Sobre Plasma
    Jan 03, 2018

    Definición de plasma


    Un plasma es un gas de partículas cargadas (tanto iones como electrones) y neutros (átomos y moléculas) pero también de fotones. Más específico puede caracterizarse como un gas total o parcialmente ionizado que es eléctricamente neutro en su conjunto, es decir, el número de cargas positivas y negativas es igual. A menudo se considera el 4º estado de la materia porque surge cuando se suministra energía a un gas, aunque no hay una transición de fase abrupta como las transiciones de sólido a líquido y de líquido a gas. Un nombre alternativo para el plasma es la descarga luminiscente debido al resplandor característico del plasma debido a la deexitación de las partículas con la emisión acompañada de fotones. En la Tierra, el plasma no ocurre como un estado natural, a excepción de los relámpagos y las llamas, pero en el espacio exterior el plasma es la forma más común de materia. Los plasmas gaseosos generados artificialmente tienen sin embargo numerosas aplicaciones al servicio de la humanidad. El plasma se encuentra en diversas aplicaciones como fuentes de luz, nuevos tipos de pantallas de televisión, en reactores para experimentos de fusión, etc. Probablemente la más común, y de la mayor importancia económica, las aplicaciones de plasma en el procesamiento de materiales de sólidos, así como de gases, son A diferencia de los plasmas para fusión, estos plasmas son "fríos", es decir, no en equilibrio termodinámico, donde el gas está a baja temperatura mientras que los electrones tienen energías (temperaturas) suficientemente altas para ionizar, excitar, disociar, etc. parte de las partículas de gas.


    Generación de plasmas


    Los plasmas para aplicaciones industriales en el procesamiento de materiales son generados por diferentes fuentes de plasma.


    Se puede generar un plasma aplicando un voltaje entre dos electrodos en un gas y a un cierto voltaje dependiendo de la presión del gas y la distancia entre los electrodos. Se producirá una falla en el gas, de modo que el gas se vuelve conductor debido a la ionización. La ionización es causada por colisiones entre electrones, acelerada a la energía de ionización por el campo eléctrico y partículas neutras, por ejemplo, átomos. Cada colisión que genera un electrón libre puede causar una nueva ionización pero el primer electrón también puede volver a colisionar, por lo que la ionización aparece como un proceso de avalancha. Eventualmente, este proceso alcanza un estado estable entre la generación y la pérdida de las partículas cargadas. La pérdida de iones y electrones del volumen de plasma puede ocurrir por recombinación y difusión a los límites del plasma. El inicio de la ionización está habilitado por los iones primarios y electrones que siempre están presentes en cualquier gas neutro, por ejemplo, debido a la ionización por radiación cósmica. Los electrones que no tienen suficiente energía para ionizar un átomo pueden cambiar su estructura electrónica y excitarlo, y cuando el átomo se evade, se puede emitir un fotón. La recombinación de partículas cargadas y deexcitaciones contribuyen a una característica de brillo para los sistemas de plasma.


    En el tipo más simple de descarga luminiscente, el voltaje aplicado es una tensión continua y los dos electrodos representan un cátodo y un ánodo, respectivamente. El campo eléctrico no se distribuye de manera uniforme entre los electrodos, lo que causa diferencias en el brillo del resplandor. La parte más intensa de la descarga es el "resplandor negativo" cerca, pero separado del cátodo. La región entre este resplandor y el cátodo es "el espacio oscuro del cátodo" o "la cubierta de carga espacial" donde el potencial cae drásticamente. Debido a ninguna o muy pocas colisiones y, por lo tanto, no hay emisión de fotones en esta región, parece oscura. Los iones positivos se acelerarán por la caída potencial a través de la cubierta y colisionarán con la superficie del cátodo. Esto puede causar la emisión de electrones secundarios que son repelidos desde el cátodo hacia el brillo negativo y mejorar la ionización allí. Los iones también pueden eliminar los átomos del material del cátodo y este efecto se utiliza en la pulverización como fuente de material para depositar. Si la distancia entre el cátodo y el ánodo es lo suficientemente larga con respecto al ancho de la descarga, puede aparecer otra región de brillo, "la columna positiva". En el ánodo también hay un espacio oscuro pero muy delgado.


    Si el cátodo está rodeado por un material no conductor, un plasma no puede sostenerse mediante un voltaje de CC debido a la carga de la superficie del electrodo. En este caso, es posible alimentar el electrodo con voltaje de radiofrecuencia (RF) para permitir que se genere la descarga. Las descargas de RF generalmente tienen una ionización más eficiente que las descargas de CC. Los electrones tienen una masa muy baja y pueden seguir fácilmente las oscilaciones de RF mientras que los iones siguen el campo promedio de tiempo. En el caso de un cátodo conductor, se puede usar un condensador de bloqueo entre el cátodo y la fuente de alimentación para formar una polarización CC negativa en el cátodo (en realidad en ambos electrodos) y se puede formar una vaina de carga espacial entre los electrodos y el plasma En una descarga de RF, los iones se acelerarán a través de esta funda, como en el caso de DC.



    Cátodos huecos


    La existencia de vainas en las geometrías de los electrodos huecos puede dar lugar a una descarga "extra", la descarga de cátodo hueco (HCD), que se utiliza en las fuentes de cátodo hueco. En un sistema de dos electrodos con un electrodo negativo hueco (cátodo) y un contraelectrodo más grande (ánodo) el HCD puede surgir dentro de la cavidad en el cátodo simultáneamente con la descarga "normal" entre el cátodo y el ánodo si la distancia de opuesto las paredes en la cavidad son aproximadamente iguales al ancho del resplandor negativo. El origen del HCD es un atrapamiento de electrones dentro del cátodo hueco cuando los electrones energéticos emitidos desde una pared del cátodo se aceleran a través de la funda hacia la pared opuesta. Cuando alcanzan la funda idéntica en el lado opuesto con el mismo campo eléctrico opuesto, se reflejan hacia atrás. Los electrones están atrapados y forzados a oscilar entre las vainas opuestas. Este mecanismo se llama el "efecto de cátodo hueco". Durante estas oscilaciones, los electrones pueden sufrir colisiones inelásticas con átomos de gas y aumentar la probabilidad de ionización dando un plasma muy denso dentro del cátodo. Este plasma es expulsado del cátodo por el flujo de gas. El cátodo hueco también puede ser alimentado por una fuente de alimentación de RF. Los electrones pueden oscilar muchas veces durante un ciclo de RF dando una alta densidad de plasma. Los cátodos huecos pueden tener diferentes geometrías: tubos, matrices de tubos o placas paralelas (cátodos huecos lineales).


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