2. Los gases bajo ciertas condiciones pueden
comportarse idealmente.
Entre dos regiones de presiones diferentes,
una porción de gas aumentará su volumen en
el trayecto, definiendo el caudal Q como
magnitud constante.
Dividiendo el caudal por la presión en un punto
conoceremos la velocidad S.
Su valor es máximo en la bomba de vacío.
3. Dividiendo el caudal por la diferencia de
presiones entre dos puntos determinamos el
valor de la conductancia C en las tuberías.
Pueden considerarse tanto en serie como en
paralelo.
Se tiene que la conductancia siempre reduce el
valor de la velocidad del flujo.
4. Dependiendo de la distancia recorrida de las
partículas entre colisiones y el tamaño del recinto
podemos considerar dos regímenes:
Viscoso: el recinto es mayor que el camino libre
medio. Existen fenómenos de viscosidad y obedece las
ecuaciones de la mecánica de fluidos.
Molecular: el camino libre medio es mucho mayor
que las medidas del recinto. El movimiento de las
partículas será aleatorio y el cambio de dirección
dependerá de las paredes, siguiendo la ley del coseno
de Knudsen. En este caso la bomba sólo capta las
partículas que llegan a ella.
5. El paso de un régimen a otro se determina a
partir del número de Knudsen:
λ
Kn =
D
Por debajo de 0,01 dominará
el viscoso y por encima de 1
el molecular.
6. La bomba de palas rotatorias se engloba en el
grupo de bombas de desplazamiento positivo.
Un volumen de gas se evacúa cíclicamente de la
cámara al exterior, expulsándolo de manera
comprimida.
Se puede usar como auxiliar o preliminar, incluso en
algunos casos como primaria.
Consta de palas ajustadas en una cámara que se
mueven por la acción de un motor.
Se usa un aceite para evitar escapes y
recalentamientos.
La salida tiene un muelle para evitar la entrada de gas.
7.
8. Se pueden conectar en serie para mejorar el
vacío base y evitar la mayoría de fugas.
Para evitar condensación de vapores,
recurrimos al lastre de gas, donde se inserta
un vapor no condensable que altere las
presiones parciales.
9. La bomba de difusión es muy empleada en los
experimentos. Pertenece al grupo de bombas
cinéticas.
Se basa en la transferencia de momento de una
corriente de vapor que impulsa al gas de la
cámara hasta una salida.
El chorro de vapor puede ser aceite de
hidrocarburos, líquidos orgánicos o mercurio.
Se calienta el líquido hasta evaporar. Fluye por
una chimenea y sale a presión por boquillas.
10. El chorro llegará a las paredes, condensará y
volverá a la caldera.
Pero en su trayecto a velocidad supersónica
colisionará con gases residuales, impartiéndoles
en promedio un momento hacia abajo, donde está
la salida a alta presión.
La caldera está a 200 Pa. La bomba no puede
mantener una gran caída de presión en todo su
trayecto, por lo que necesita una bomba auxiliar
para trabajar a 25-75 Pa y no a la atmosférica.
11.
12. Además, el chorro no puede mantenerse operativo
por encima de 1 mbar, ya que el gas sería de gran
densidad y el chorro desaparece.
El caudal siempre es el mismo en toda la bomba,
luego en cada sección de chorro cambiará la
velocidad y la diferencia de presión.
Mayor velocidad de bombeo en el chorro superior
y menor caída de presión. Lo opuesto se dará en
el chorro más inferior.
13. Para mejorar la eficiencia se pueden usar
secciones concéntricas o refrigeración por
nitrógeno líquido.
Por debajo de la presión crítica debemos
procurar un gran rango de compresión y una
alta eficiencia.
El caudal no es constante en todo el proceso.
14. La presión límite más baja depende de los gases
involucrados (H y He son difíciles de evacuar) y del
diseño de las paredes.
Este valor se alcanza por la compensación del
trabajo de la bomba con la contracorriente que
lleva gas de la bomba mecánica hasta la cámara.
La temperatura de la caldera influye en la
evacuación, al igual que la que posea el gas a
evacuar.
15. Ciertos errores de la bomba pueden aumentar la
contracorriente, por lo que se necesita un buen
diseño y la existencia de una tapa superior
refrigerada por agua para minimizar fallos.
También se pueden usar trampas (bomba de
vapor condensable) y bafles (condensadores de
vapor).
La presión de vapor del aceite también es algo
imprescindible a tener en cuenta.
16. Además de alcanzar un buen vacío base tenemos
que determinar qué valor de presiones son
necesarias para trabajar, luego necesitamos de
medidores.
El medidor de Pirani se basa en la
conductividad térmica de un gas, que es
proporcional a la presión dentro de un rango.
Una corriente constante pasa por un filamento
caliente. Si varía se activa una resistencia que
indica la pérdida de calor a una presión dada
hasta que se alcance la temperatura.
17. Los cambios de temperatura ambiental se
compensan con un puente de Wheatstone.
Una variante mantiene constante la
temperatura del filamento, en donde la
variación de tensiones indica el cambio de
presión.
18. El medidor de Bayard- Alper t entra en el grupo de
medidores de cátodo caliente, que se basa en la
ionización de moléculas y su reunión en un electrodo
para amplificar una señal proporcional a la presión de la
cámara.
El colector es un fino cable rodeado de una rejilla. Un
filamento emite electrones que ionizan las moléculas
que irán al cable mientras que los electrones siguen
oscilando.
Con esta configuración la recepción de rayos X será
mínima, leyendo así valores bajos. Aún pueden aparecer
errores debido a la emisión ultravioleta del filamento.
19. La presión mínima que puede medir es 10-12 Pa.
A altas presiones se recurre al diseño de Schulz y
Phelps.
La calibración que relaciona intensidad y presión
se hace mediante nitrógeno.
Los filamentos deben ser duraderos y no
contaminantes.
Conviene un desgaseado periódico del medidor.
20.
21. Es una colección cuasi-neutra de cargas que
interaccionan con un gas neutro de fondo y con
campos electromagnéticos.
En la aproximación lorentziana los iones están
en reposo y los electrones chocan sólo con
neutros, que absorben la energía y el
momento.
Se pueden hacer estudios tanto macroscópicos
como microscópicos.
22. La longitud de Debye λD es el requisito de la
cuasi-neutralidad.
Indica el tamaño mínimo del plasma para
apantallar un exceso de carga.
La zona que no verifica la cuasi-neutralidad se
denomina vaina.
Es lógico suponer que deben haber suficientes
partículas en el plasma para lograr el
apantallamiento.
23. La frecuencia electrónica del plasma ωpe indica el
mecanismo de los electrones para compensar una
zona de mayor carga positiva, pero que debido a
su pequeño peso, oscilan en torno a ella.
Esto es el origen del cuanto de energía llamado
plasmón.
Dependiendo de la frecuencia de la radiación
externa será posible o no el efectivo
apantallamiento.
24.
25.
26. Los tratamientos de superficie protegen las
muestras de los agentes externos.
El tratamiento se puede hacer mediante:
Modificación de las capas superficiales
Deposición de capa sobre la superficie
Usando plasmas se abaratan costes, se
consigue reproducibilidad y se reducen la
cantidad de contaminantes.
27. Para modificar la superficie se recurre al concepto de
difusión iónica.
Ésta obedece la ley de Fick: Γ = − D ⋅ ∇n
Las partículas llegan a la superficie y al absorberse
migran hacia el interior por diferencia de
concentraciones.
Usando un plasma se sale fuera del equilibrio
termodinámico, pero baja la temperatura de
tratamiento.
Los electrones cobran alta energía, siendo
fundamentales para las ionizaciones y procesos de las
primeras etapas.
28. Un ejemplo es la cementación iónica, en donde
se recurre a la difusión del carbono dentro del
acero inoxidable austenítico por medio de un
plasma que contiene metano.
La probeta hace las veces de cátodo para
llevar a cabo el proceso.
El plasma glow se somete a 400-600 V con
una presión de trabajo de 3,75 Torr de Ar, H2 y
CH4, alcanzando los 410ºC durante el proceso.
29. •El hidrógeno limpia las
impurezas
•El carbono se aloja en los
huecos intersticiales
octaédricos y tetraédricos,
expandiendo la red de
austenita y mejorando la
dureza, la resistencia al
desgaste, etc.
•El argón fomenta la
penetración de C trayendo
una mejora de las
propiedades.
•El tiempo de tratamiento
aumenta el grosor de la
capa cementada y sus
propiedades.
30. La deposición de la capa sobre el sustrato se realiza
con PAPVD.
Una técnica muy utilizada es el sputtering por
magnetrón, en el que un plasma eyecta átomos del
blanco del magnetrón y llegan a la superficie de la
probeta.
Si además se usa la variante reactiva del sputtering
habrá un gas cuyos átomos se combinarán con los
arrancados del blanco, depositándose un nuevo
compuesto en la superficie.
Esta técnica depende en gran medida de la adherencia
de la capa al sustrato.
31. De esta manera puede depositarse AlN sobre
Si.
El plasma generado a 200-400 V será de Ar y
N2 a una presión de 6 mTorr.
El sustrato puede polarizarse con una fuente
externa para mejorar la llegada y movilidad de
las partículas o dejarse flotante respecto al
plasma.
32. •El AlN depositado presenta una
superficie lisa y de granos
pequeños, evitando la propagación
de fisuras por las tensiones
residuales y su buena uniformidad.
•La porosidad se elimina
polarizando el sustrato.
•La adherencia depende de la
orientación del sustrato y su
adaptación de los parámetros de
red.
•La orientación (0002) es la
buscada en AlN por sus
propiedades piezoeléctricas.
•Las superredes de TiN/AlN pueden
dar origen al AlN cúbico.
33. Para analizar un plasma y su cinética se puede
recurrir a una sonda (que creará una vaina que
perturbe el entorno) o midiendo la radiación
emitida.
El segundo caso es la espectroscopia,
encargada de hacer una diagnosis óptica sin
alterar al plasma al captar los fotones que
provienen de transiciones de niveles atómicos
o moleculares.
34. Los átomos sólo poseen transiciones
electrónicas.
Las moléculas poseen transiciones
rotacionales, vibracionales y electrónicas.
La intensidad de los picos indica el número de
partículas excitadas.
35.
36. Los parámetros del plasma que indican la
cinética son:
Densidad electrónica ne
Temperatura de las partículas pesadas Tgas
Temperatura de los electrones Te
Temperatura de excitación Texc
Densidad de estados excitados np
37. Los picos están ensanchados.
Existen varios motivos que los provocan:
Natural: interacción con fotones
Doppler: agitación térmica de los emisores
Colisional: interacciones con partículas
Stark: emisor con electrones e iones
Van der Waals: emisor con neutros (dipolos inducidos)
Autoabsorción: la radiación la capta la misma
especie
Instrumental: Convolución de la lente,
monocromador y fotomultiplicador
38. Los perfiles medidos presentan un
ensanchamiento voigtiano.
Con un software debemos separar las
contribuciones gaussiana y lorentziana.
∆λ = ∆λ + ∆λ
2
G
2
D
2
I
∆ λ L = ∆ λ S + ∆ λW
39.
40. Para determinar ne debemos recurrir al estudio
del ensanchamiento Stark (de la serie Balmer
del hidrógeno o de la propia especie)
El ensanchamiento depende de ne y Te, pero Hβ
no depende tan fuertemente de la
temperatura.
41. Para determinar Texc se usa la representación de
Boltzmann, que parte de la ecuación de
población de un nivel excitado en la que se
aplica logaritmos.
Para las líneas atómicas se representan por
series, pudiendo integrar el área.
Para las bandas moleculares se eligen los
máximos de cada transición electrónica.
42. np n1 Ep
log = log − log e
g
g k BTexc
p 1
43. El cálculo de Tgas se realiza también con la
representación de Boltzmann, pero ahora se
analizan las bandas rotacionales.
Se recurre al estudio de las especies
termométricas.
44. La Te intenta medirse a partir de otro valor y
suponiendo equilibrio termodinámico.
Si no se da, puede obtenerse con el
ensanchamiento Stark, ya sea
simultáneamente con ne (método de
entrecruzamiento) u obteniendo primero la
densidad y después resolver en Hα.
45. El plasma siempre queda separado de las
paredes mediante vainas.
Existen multitud de modelos para éstas, puesto
que no se comprenden totalmente aún.
46. En la aproximación de baja tensión DC se
supone que la densidad numérica iónica es
constante en toda la vaina y que la electrónica
decae exponencialmente según la ecuación
electrostática de Boltzmann.
Esto sucede por la captación de electrones por
parte de la pared, cargándola negativamente.
Los iones entonces originarán el potencial del
plasma.
Existe también una magnitud importante
denominada potencial flotante.
47. Se puede variar el potencial de la pared
respecto al plasma, observando los regímenes
de saturación.
48. El modelo de vaina de Bohm indica que
entre el plasma y la vaina existe una zona
cuasi-neutra denominada prevaina.
49. En el modelo de vaina de alta tensión se
supone que la que aparece en el cátodo es
muy gruesa.
Supone un comportamiento análogo a un
régimen de saturación iónica.
50. En la teoría de la vaina “matriz” transitoria
supone a los iones como inmóviles frente a los
electrones.
Se determina la existencia de un potencial
parabólico.
51. La última suposición es el concepto de vaina
de la ley de Child, que es un avance
temporal del anterior caso.
Según esta aproximación, la densidad de
corriente está limitada por la distribución
espacial de carga.
52.
53. Una sonda es un objeto conductor insertado
en el plasma y conectado al exterior mediante
un circuito.
Por tanto, es un método de contacto eléctrico.
La sonda debe soportar el calor del plasma y
no debe perturbarlo notablemente.
La sonda se puede hacer de varias formas y
tamaños, al igual que el aislante requerido.
54.
55. Además de la curva se necesitan conocer los
parámetros, por lo que se recurre a teorías de
vainas. Las magnitudes fundamentales son:
Camino libre medio : distancia media entre
colisiones (λe).
Longitud de relajación : distancia recorrida para
perder toda la energía por colisiones (λε).
Dimensión de la sonda : permite diferenciar entre
regímenes (d).
Espesor de la vaina : región no cuasi-neutra que
rodea a la sonda (Se).
56. La teoría se complica si aparecen campos
magnéticos.
Los regímenes que puede tener el plasma son:
Acolisional: Se dan grandes trayectos sin colisiones
(λe>>d+S).
No local: Es una zona de transición. Existen colisiones
en la vaina, pero no se pierde toda la energía
(λε>>d+S>>λe).
Hidrodinámico: Es el régimen local. El plasma se
comporta como fluido. Las partículas pierden su
energía varias veces dentro de la vaina (d+S>>λε).
57. El concepto de local y no local depende de la
comparación de la longitud de la inhomogeneidad y la
de relajación.
Además del error introducido por el modelo teórico
existen otros de origen instrumental:
Influencia del aislante
Influencia de la suciedad
Función de trabajo irregular
Resistencia finita del plasma
Oscilaciones del potencial
Influencia de la corriente iónica en la electrónica
Funciones instrumentales
58.
59. Es importante conocer la función de
distribución de energía de los
electrones (EEDF).
Con la ecuación de Boltzmann eliminamos los
efectos de la perturbación.
En el régimen acolisional se obtiene la fórmula
de Druyvesteyn
me2 d 2 je
f (ε = −eV ) = −
2πe dV
3 2
60. Para el régimen local la EEDF depende sólo de
la derivada primera de la densidad de
corriente.
La fórmula de Druyvesteyn es aplicable cuando
se verifica que λ ≥ 3R ln πL
e
4 4R
Para usar las fórmulas del régimen local se
deberá verificar otra desigualdad.
61. La función de distribución de energía de
los iones (IDF) es más difícil de obtener, al
ser más pesados éstos.
Es posible operar con un análogo de la fórmula
de Druyvesteyn.
Hay que prestar atención a la presencia de
iones negativos, campos magnéticos o la
ausencia de electrones.
62. La temperatura electrónica (Te) se puede
obtener multiplicando por 2/3 la energía cinética
media. Ésta se consigue al integrar la EEDF.
Teniendo la curva característica también podemos
calcularla, aunque es necesario suponer una
distribución de Maxwell-Boltzmann.
Para los regímenes no local e hidrodinámico los
pasos son idénticos.
63. Existen técnicas a partir de la doble y triple sonda.
Un método alternativo es la técnica de armónicos.
La temperatura iónica (Ti) es muy difícil de
obtener. Se puede emplear una sonda sensible a
los iones, en donde un campo confina los
electrones.
Los iones se pueden acumular en un analizador
de energía iónica de campo retardante.
En plasmas magnetizados se recurre a la sonda
de Katsumata o la sonda de enchufe.
64. Las densidades electrónica e iónica (ne y
ni) se conocen a partir de las corrientes de
saturación, pero hay que conocer la
temperatura. Influyen las fluctuaciones y el
potencial de la sonda (a baja temperatura).
Si conocemos EEDF e IDF se determinan
integrándolas.
En plasmas magnetizados se utilizan sondas
recubiertas, que poseen menos sensibilidad.
65. El potencial del plasma (VP) se determina para
el régimen acolisional en una representación
semi-logarítmica en el punto donde se desvía de la
linealidad, aunque es más aconsejable
identificando el punto de inflexión (el cero de la
segunda derivada).
Para el régimen no local se buscará el cero de la
primera derivada, aunque el modelo falla en estos
casos. Esto también es válido para el
hidrodinámico.
66. Para eliminar las fluctuaciones se recurre a un
barrido rápido.
Se puede usar también la sonda emisora que está
caliente y emite electrones y se fundamenta en
varios principios. También se pueden usar la
sonda de enchufe y la sonda sensible a los iones.
El campo eléctrico (E) se determina al medir
dos valores del potencial del plasma en dos
puntos alejados, mostrando sólo esta dirección.
Existe una separación mínima. Se consideran
también las fluctuaciones y el vector de onda.
67. La velocidad del flujo se puede determinar
teóricamente, pero es algo muy tedioso.
La velocidad de deriva entonces necesita del
campo eléctrico.
Los flujos de iones paralelos al campo magnético
se miden mediante una sonda de Mach-Janus,
que son dos electrodos separados por una pared
aislante.
El número de Mach se conoce al realizar el
cociente.
68. Los plasmas pueden estudiarse también desde el
punto de vista macroscópico, considerándolos
entonces unos fluidos.
Si se parte de la función de distribución de
velocidades podremos conocer:
La densidad
La velocidad media del fluido
La energía cinética media de las partículas
El tensor de presión cinética
El tensor de flujo de la cantidad de calor
69. Aplicar la función para electrones, iones y
neutros es muy complicado, por lo que se
derivan ecuaciones macroscópicas a partir de
los momentos de la ecuación de Boltzmann:
∂f ∂f ∂f ∂f
+ w ⋅ +η ⋅ =
∂t ∂r ∂w ∂t colis
70. De ésta se obtiene la ecuación de
conservación de partículas y la ecuación de
conservación de la cantidad de movimiento.
Si usamos también la ecuación de transporte
de calor como ecuación de estado (suponiendo
un plasma adiabático) conseguimos describir
con exactitud al plasma macroscópicamente.
71. No es suficiente con determinar si el sistema llega
o no a un equilibrio.
Es obligatorio conocer si al equilibrio que se llega
es estable o inestable.
Esto se determina encontrando una solución a la
ecuación de movimiento.
Para 1-D la mitad serán estables. Para 2-D sólo el
25% (sólo uno posee las dos derivadas segundas
positivas). Luego los equilibrios estables son 2-n
con n los grados de libertad.
72. En el equilibrio magnetohidrodinámico la
presión y el campo magnético satisfacen la
ecuación de equilibrio (conservación de
momento).
Con ella puede operarse hasta obtener la
ecuación de movimiento generalizada, que
admite el método de separación de variables
en espacio y en tiempo:
T = −ω 2T
k
2
−ν 0ξ k ( r0 )ωk = F ( ξ k )
73. Haciendo suposiciones en la ecuación espacial
y realizando multitud de cálculos se llega a la
relación de dispersión
ω r0ν J m ( αr0 )
2
m K m ( kr0 )
2
− = 1+
α 2 p J m ( αr0 )
′ kr0 K m ( kr0 )
′
74. Esta relación indica la existencia de
inestabilidades:
Si m=0 todo valor de k expresa equilibrio inestable.
Son llamadas tipo salchicha.
Si m=1 cualquier k indica inestabilidad. Son
llamadas tipo rizo.
75. El plasma focus es un fenómeno que tiene
lugar cuando se genera una rápida descarga
eléctrica entre electrodos cilíndricos coaxiales.
El proceso termina en la generación de un
efímero plasma de alta densidad a causa de
un pinzamiento.
Se generan rayos X duros y débiles, neutrones
energéticos, electrones relativistas e iones
rápidos.
76. A pesar de basarse en el pinzamiento en la
dirección z, existen dos configuraciones
principales: Filippov y Mather.
77. El tipo Filippov se usa para generar rayos
ultravioletas.
El tipo Mather se emplea generalmente para
simular procesos de fusión nuclear.
78. La descarga de un plasma focus se puede
descomponer en tres etapas.
En la fase de aceleración axial , el banco de
condensadores descarga una tensión sobre los
electrodos inmersos en un gas a baja presión.
El gas se rompe en la región cercana al aislante.
La vaina entonces se moverá según la fuerza de
Lorentz: J ×B
El fenómeno se modeliza como una barredora de
nieve y termina cuando se llega al extremo de los
electrodos.
79. En la fase de convergencia el frente abandona
su forma toroidal, ya que una parte comienza a
converger radialmente.
Aparece una inductancia en el propio plasma a
causa de la longitud de los electrodos. La
intensidad de corriente se hará máxima cuando se
cierre en el interior del toroide.
La modelización obedece a una parte que sigue
comportándose como barredora de nieve y otra
componente de compresión radial.
80.
81. En la fase de compresión radial el plasma se acumulará
en la zona central del electrodo interior, aumentando su
densidad y energía.
Este instante se denomina segunda descarga, en el que se
equilibra el plasma debido a la presión y el campo
magnético.
Al existir fluctuaciones en esta gran corriente el equilibrio es
inestable apareciendo inestabilidades tipo salchicha y tipo
rizo.
En uno de estos pinzamientos se dará la focalización, donde
se rompe el filamento y se forma una onda de choque axial y
una onda de radiación ionizante muy energética.
La gran energía permite eyectar material del electrodo.
82.
83. El plasma puede ser analizado mediante su
radiación visible.
Se usa en este caso una cámara ICC, con un
retardo programado para compensar los
tiempos de descarga.
84. Se puede analizar el plasma con un osciloscopio,
donde se medirá la variación temporal de la
corriente eléctrica.
Se usa para ello una bobina de Rogowski.
Se puede observar la ruptura dieléctrica, el
comportamiento análogo a un circuito RLC en
donde aumenta la intensidad a un máximo.
Tras esto se puede estudiar el hundimiento a
causa el cambio de inductancia del plasma debido
al pinzamiento, terminando en un mínimo en el
mismo instante de la focalización.