16-03-15 Plasmas a baja temperatura-Introd. Invest. IEM-2015 · 2017. 12. 5. · Microsoft...
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16 Marzo 2016Curso de Introducción a la Investigación IEM‐CSIC
2ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
Pre
sión
(P
a)
Temperatura (K)
Punto de
Fusión Punto de Ebullición
1 atmLIQUIDO
SOLIDO
H2O
GAS
Diagrama de fasesdel agua
Aporte de Energía Calorífica y Aumento de Temperatura
SÓLIDO LÍQUIDO GAS
PLASMA : “Gas altamente ionizado con igualnúmero de cargas libres positivas y negativas”.
PLASMAGAS
MAGNITUDES FUNDAMENTALESDEL PLASMA
• Densidad de cargas libres (Ne)• Temperatura electrónica (Te).
3
Movimiento Individual
Comportamiento Colectivo
Aporte de energía (de diversos tipos) y aumento de temperatura
102 103 104 105 106 107 108 109
10-2 10-1 100 101 102 103 104 1051010
1015
1020
1025
1030
1010
1015
1020
1025
1030
Ne (
m- 3
)
Ee (eV)
Te (K)
LLightning
Solar core
Fusion reactor core
Aurora Plasma Nebula
Flame
Laser focus
Arc
Conductor Solids
Interplanetary Space
Solar corona
Solar photosphere
Fusion plasma edge
Glow
PLASMAS
4
COLDPLASMAS
5
PLASMA:¡MÁS DEL 99% DE LA MATERIA CONOCIDA DEL UNIVERSO!
• El estado de agregación más energético
• El último “comprendido” por el ser humano
“Cuarto Estado de la materia”.
…pero el primero en el tiempo…
13.7 billions years
DENSE PLASMA: “Dark Ages”
3th Generation of StarsMolecules, Planets, Life
Fusion in Stars New Elements
BIG BANG
109
3000
15
2.7
T (K)
1016
1028
1032
Cosmic MW BackgroundLIGHT
6
TODO PLASMA BRILLA CON LUZ PROPIAllamas, rayos, auroras, estrellas…
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Podemos observarlos a grandes distanciasy analizar su luz por TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS
Al contrario que los gases, son BUENOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS
CLASES DE PLASMAS
1. PLASMAS TÉRMICOS Tglobal > 3000 K
¡ SISTEMAS MUY ALEJADOS DEL EQUILIBRIO TERMODINÁMICO !
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2. PLASMAS A BAJA TEMPERATURA (Plasmas Fríos) • Electrones muy energéticos• Partículas pesadas más frías (neutros/iones)
Te 30.000 K Tgas 300 K
• PLASMAS FRIOS: suelen ser generados con descargas eléctricasa baja presión (ej. lámparas fluorescentes).
• Grado de ionización muy bajo (Ne/Ngas 10‐3 – 10‐6)
• Los electrones se aceleran eficazmente en el campo eléctrico( Te alta) pero, al ser muy ligeros, ceden poca energía porchoques elásticos a las partículas más pesadas ( Tgas baja).
+ _
1 mbar Air DC discharge
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• Neutralización• Desexcitación (Emisión de luz) • Recombinación: Reacciones en fase gas y en superficie• Efectos en Pared Recubrimientos, “Sputtering” & “Etching
Procesos Elementales en Plasmas Fríos
• Ionización AB + e– AB+ + 2e–• Excitación AB + e– AB* + e–
• Disociación AB + e– A + B + e–
PRIMARIOS
SECUNDARIOS
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! Gran número de especies y procesos implicados !
¡ Enorme interés en Investigación Básicay Aplicaciones Tecnológicas !
¡ SISTEMAS MUY REACTIVOS A BAJA TEMPERATURA!
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ALMA (Atacama LargeMm/sub‐mm Array)Desierto de Atacama, Chile, 5057 m altitud
Estudios de Interés Astrofísico
Generación y estudio de especies excitadas, iones, radicales… (caracterización espectroscópica).
200 especies moleculares detectadas en el espacio,algunas muy exóticas según patrones terrestres.
H3+ en Júpiter (1990) y en el
espacio (1996) tras su estudioespectroscópico en laboratorio
(1980)
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¡Presentación de José Luis Doménech!
Thiswork
Simulación en laboratorio de la formación de polvo interestelar. Las nubes de polvo colapsan por gravedad
dando origen a nuevas estrellas.
Enormes nubes de gas y polvoen la Nebulosa del Águila,
a 7.000 años luz de la Tierra.
Plasma de CH4+He (IEM‐CSIC)para generar depósitos de a‐C:H.
Comparación con espectroIR de polvo interestelar.
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Laboratorio de plasmas Fríos (IEM‐CSIC)
Ingeniería de SuperficiesDureza, resistencia al rozamiento o al ataque químico, impermeabilidad, conductividad, propiedades ópticas, biocompatibilidad de implantes…
Tratamientos aplicables a materiales que no soportan altas temperaturas.
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Tejidos tratados con plasma, que repelen la humedad
y las grasasMicrocristales de diamante para cubrir herramientas
de corte
Prótesis metálica de rodilla cubierta de
material biocompatible
Recubrimientos ópticos
Depósito con plasmade CH4 + He (IEM‐CSIC)
Microelectrónica y Nanotecnología
Cámara de “sputtering” (erosión) por plasma.
Magnetrón (plasma confinado magnéticamente)
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Esterilización por plasma
Materiales que no soportan altas temperaturas:
Instrumentación médica, envases de alimentos…
Doble acción bactericida:
• Radiación ultravioleta.• Radicales fuertemente oxidantes.
Catéteres para diálisisy tubos de ensayo
de materiales orgánicos
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17“Joint European Torus” (J.E.T)
Materiales expuestos al plasma en Reactores de Fusión
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Motores Iónicos para Propulsión Espacial
Sonda Lunar “Smart‐1” de la Agencia Espacial Europea,impulsada por plasma de Xe.
Combustible total = 82 kg
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¡ Muchas Gracias !