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CARACTERIZAO DE MICROTOCHAS DE PLASMA VISANDO
APLICAO T ECNOLGICA
Janana Correa do Nascimento (ITA)
Eduardo Cezar Barbosa de Barros Arago (ITA)
Bogos Nubar Sismanoglu (ITA) [email protected]
Resumo: Este trabalho visa o estudo e a caracterizao de
microtochas de plasma para fins aplicativos. As
microtochas so pequenas extenses de microplasmas produzidas em
laboratrio, da ordem de 200m, em
forma de jatos, que podem atingir comprimentos de alguns mm em
ambiente atmosfrico. Foram levantadas
curvas de tenso-corrente e curvas de tenso de sustentao da
descarga versus comprimento do jato (L).
Tambm foram estimadas curvas de intensidade de campo eltrico na
regio do jato, da potencia dissipada e
da densidade de eltrons em funo de L. Estas anlises mostram que
a regio do plasma estendido se
comporta como a regio da coluna positiva de um plasma de baixa
presso, apresentando campo eltrico
praticamente constante.
Palavras-chave: Microtochas de Plasma, Microplasmas, Densidade
de Eltrons.
CHARACTERISATION OF PLASMA MICROTORCH AIMING
TECHNOLOGICAL APPLICATION
Abstract: This work aims both the study and characterization of
plasma microtorches for applications
purposes. The microtorches are small extensions of microplasmas
produced in the laboratory, on the order of
200 m, in the form of jets, which can reach lengths of several
mm in atmospheric pressure. Current-voltage
curves and sustaining discharge voltage versus the length of the
jet (L) were raised. Curves of electric field
intensity were also estimated along the jet, as well as the
dissipated power and the electron number density as
a function of L. These results show that the region of the
extended plasma behaves as the region of the
positive column of a low-pressure plasma presenting nearly
constant electric field.
Keywords: Plasma Microtorches, Microplasmas, Electron Number
Density.
1. INTRODUO
O termo plasma se aplica a um gs contendo espcies neutras e
eletricamente carregadas
como eltrons, ons positivos, ons negativos, tomos e molculas [1
- 9].
Macroscopicamente, um plasma eletricamente neutro, sendo que
qualquer
desbalanceamento de carga resultar em campos eltricos internos
que tendem a mover as
cargas de modo a restabelecer o equilbrio. As microdescargas ou
microplasmas
correspondem a uma nova classe de descarga eltricas cujas
propriedades so bastante
parecidas com s das descargas luminescentes, podendo operar em
presses elevadas.
Mesmo nestas condies de operao as microdescargas apresentam-se
como plasmas fora
do equilbrio termodinmico e, por isso, elas so referidas
comumente como descargas
luminescentes em alta presso.
Ultimamente h um crescente interesse pela rea de microplasmas.
Estas so
previstas para terem aplicaes nos mais diversos ramos do
conhecimento cientfico e nas
diferentes disciplinas, como ptica, sistemas
microeletromecnicos, crescimento de
materiais, fabricao de microchips e aeronutica. Dentre as
aplicaes mais importantes
temos os reatores de plasma para descontaminao qumica e
bacteriolgica, dispositivos
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cirrgicos mdicos e odontolgicos baseados nas descargas de
microplasma pulsado,
microjato de plasma frio na presso atmosfrica, gerao de radiao
UV, processamento
de superfcies, formao de exmeros, microoptoeletrnica,
microreator de fluxo para
decomposio molecular, deposio de filmes policristalinos de
diamante por microjato de
plasma, painel de tela plana, fotodeteco, microlasers, para
citar alguns [1].
Estas descargas eltricas nas presses moderadas e altas
correspondem a um novo
processo na rea da fsica e da engenharia de plasmas. Alm da
facilidade de seu uso, j
que no requer equipamento dispendioso de alto-vcuo, as descargas
em presso elevada
geram partculas ativas em alta densidade, como radicais livres,
eltrons energticos e ons.
O crescente interesse na gerao de plasmas em alta presso, nos
modos corrente contnua e
pulsado, devido ao fato de que para aplicaes em escala
industrial, muito importante
alcanar uma operao confivel dessas descargas em tenses
moderadas.
Devido ao seu tamanho reduzido, pois o microplasma se origina e
mantido confinado em
uma regio pequena (geralmente um orifcio circular cujo dimetro
varia de 100 m a
1000 m), costuma-se referir essa descarga eltrica luminescente
como microplasma ou
simplesmente microdescarga. Atravs da associao de microdescargas
em paralelo [1],
obtm-se um plasma de alta densidade de eltrons, em presso
elevada, tenso de algumas
centenas de Volts e baixa corrente eltrica.
Este trabalho objetiva o estudo e a caracterizao de microplasmas
atravs da
modalidade de microjato ou microtocha de plasma. Nestes
dispositivos, o microplasma
expulso de seu orifcio catdico atravs da ao de um fluxo de gs,
que arrasta o plasma
para o ambiente atmosfrico.
2. MONTAGEM EXPERIMENTAL
A fonte de tenso de corrente contnua (CC) foi construda para
poder fornecer uma tenso
mxima de 5kV, operando uma corrente de descarga de at 200mA. H
nela um conjunto de
8 resistores de 47k cada, que podem ser associados em srie e/ou
em paralelo atravs de
um sistema de chaveamento, para serem empregados como
limitadores de corrente para as
descargas. Tambm foram utilizados em nossos experimentos: jogo
de capacitores a leo
da Cornell Dubilier de 200V de 1 a 20 F; resistores de 47k ;
multmetro digital Minipa;
microampermetro analgico Engro com escala de 1 a 500 A;
picoampermetro analgico
Keithley; fonte DC HP de 0 a 70V com variao de 0,2V; fonte DC HP
de 0 a 1kV com
variao de 1V; transformador corrente alternada (CA) de 60Hz
115V-15kV; osciloscpio
digital HP 400MHz e analgico Minipa de 20MHz; cmera digital
Kodak 6.1 Megapixel
modelo DX7630; microscpio ptico com cmera digital acoplada. A
injeo de argnio de
pureza 99,995% (White-Martins, Air Liquide) utilizado nos
experimentos controlada por
um fluxmetro modelo MKS 247C, que possibilita um fluxo de 0 a
500sccm (1sccm =
1,667.10-8
m3/s). Os desvios e os erros experimentais encontrados nos
grficos deste
trabalho so de natureza estatstica (desvio padro) levando-se em
considerao a
reprodutividade dos experimentos em pelo menos 5 eventos de cada
situao experimental.
Nestes grficos, onde as barras de erro no aparecem,
subentende-se que estes erros so de
natureza intrnseca do prprio aparelho de medio, geralmente
inferior a 5%.
Microtubos de metal podem ser usados como sistemas para gerar
plasmas em forma
de microtochas ou microjatos [4]. A vantagem na utilizao de
microtubos est na produo
de microdescargas que se estendem na forma de microtochas,
alimentados pelo fluxo de gs
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que atravessa este tubo. O tubo capilar dever ter um dimetro
interno que propicie a
operao do jato na presso atmosfrica. Para a gerao de microjatos
de argnio em ar
atmosfrico ns utilizamos tubos capilares de ao inoxidvel, com
dimetro interno (D) de
150m e outro de 400m e aproximadamente 4cm de comprimento.
3. RESULTADOS E DISCUSSES
A figura 1 mostra o diagrama esquemtico de um tubo capilar em
operao e a fotografia
digital ampliada de um microjato de plasma de argnio em ar
atmosfrico. A figura 2
mostra as fotografias digitais de diversas descargas eltricas em
operao. A descarga foi
gerada usando-se um gerador de tenso de CC e uma resistncia de
carga R mltiplo de
47 necessria para limitar a corrente eltrica at no mximo 10mA. O
tubo foi polarizado
negativamente e uma chapa metlica (ou tela) de molibdnio serviu
como anodo. A
distncia (L) entre a abertura do tubo e este anodo pde ser
variada atravs de dois
micrmetros independentes, um atuando no catodo e o outro no
anodo.
Figura 1: Diagrama esquemtico de um tubo capilar (1) e a
fotografia digital de um microjato (2).
Deste modo, estudaram-se as caractersticas desta microdescarga
em funo dos
seguintes parmetros: tenso de sustentao do plasma, corrente
eltrica da descarga,
distncia L e fluxo do gs. A figura 3 mostra a curva de
tenso-corrente de um microjato de
argnio exposto em ar atmosfrico. O dimetro interno do tubo de
400m e o fluxo de
argnio, de 200sccm. Esta curva foi obtida para vrios valores de
L. Inicialmente, induziu-
se a formao da descarga atravs de um faiscador, para um valor de
L
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Figura 2: Fotografia digital de microjato de plasma de argnio
operando em ar atmosfrico: tubo capilar com
dimetro de 400m (1) e com dimetro de 150m (2). Associao em
paralelo de dois microjatos, tubos
capilares com dimetro interno de 150m, cada um acoplado a um
resistor de 10 (3).
Figura 3: Curva caracterstica de tenso-corrente de um microjato
de plasma de argnio em ambiente
atmosfrico, tubo com dimetro interno D = 400 , fluxo de gs =
200sccm e para vrias distncias de
separao entre catodo e anodo (L).
Isto pode ser explicado pelo aquecimento da extremidade do tubo,
acarretando a
emisso terminica de eltrons. Um fluxo mais elevado de gs
refrigera a extremidade do
tubo e evita seu superaquecimento. Aumentando-se L, aumenta-se a
tenso da descarga, e
esta dependncia torna-se linear para grandes valores de L,
superiores a 1mm. Na operao
do microjato de plasma para grandes valores de L necessita-se de
intensidades maiores de
corrente eltrica. Estes comportamentos podem ser vistos na
figura 4, para vrias correntes
eltricas de operao. A linearidade observada entre Vd e L (para
grandes valores de L)
sugere uma interessante comparao entre este tipo de descarga e a
descarga luminescente
clssica de catodo-anodo planos. Neste, o campo eltrico
praticamente constante na
regio da coluna positiva, para grandes valores da distncia
intereletrodos. Esta comparao
foi observada anteriormente [4] e ns iremos explorar mais este
fato, inclusive obtendo um
clculo aproximado da densidade de eltrons e sua variao em funo
de L.
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0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
200
300
400
500
600
700
800
Vd (
V)
L (mm)
Id (mA)
1,5
2
3
4
5
Figura 4: Curva da tenso de sustentao da descarga de microjato
de plasma de argnio em ar atmosfrico,
em funo da distncia entre o catodo tubular e o anodo.
A figura 5 mostra a variao da intensidade do campo eltrico em
funo da distncia
L entre o catodo tubular e o anodo, para algumas correntes
eltricas de operao da
descarga. Observa-se que a intensidade deste campo diminui
quando se aumenta a distncia
L entre catodo e anodo at aproximadamente 2mm. Para L > 2mm a
intensidade do campo
eltrico E praticamente constante.
Nesta regio para o qual E constante, a densidade de eltrons ne
pode ser estimada,
numa primeira aproximao, a partir dos parmetros eltricos da
descarga, do campo
eltrico E, da densidade de corrente eltrica j e da mobilidade do
eltron e [4]: j = neeeE,
onde e a carga elementar. Mantendo-se a temperatura T do gs
constante, a mobilidade
torna-se inversamente proporcional presso P. A mobilidade
reduzida para o argnio na
temperatura ambiente dada por 0
)( Te p = 0,33 106cm
2Torr/V.s [4]. Em artigos recentes
obtve-se a temperatura do gs argnio T 1100K, numa descarga
luminescente na
presso atmosfrica, para uma corrente de aproximadamente 5mA
[4].
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0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
3,0x103
6,0x103
9,0x103
1,2x104
1,5x104
1,8x104
5 mA
4 mA
3 mA
2 mA
1,5 mA
E (
V/c
m)
L (cm)
Figura 5: Intensidade do campo eltrico em funo da distncia
intereletrodos, para descarga de microjato de
plasma com D = 400 , = 200sccm e para vrias correntes eltricas
de operao.
Levando-se esta elevada temperatura do gs em considerao, iremos
supor que a
mobilidade reduzida dependa linearmente de T, visto que o livre
caminho mdio do eltron
diretamente proporcional a T e a mobilidade diretamente
proporcional ao livre caminho
mdio (demonstra-se que .P diretamente proporcional a T1/2
, mas observa-se tambm
que esta relao no concorda com os resultados experimentais
disponveis [4, 5]).
Portanto, para T = 1100K, obtemos e = 1,59.103cm
2/V.s. Para grandes valores de L, a
intensidade do campo eltrico de aproximadamente 2400V/cm,
segundo valores
observados na figura 5. Para uma corrente eltrica de 5mA, a
densidade de corrente eltrica
no microjato ser de 4A/cm2 e, finalmente, encontramos ne =
6,55.10
12cm
-3. A densidade de
potncia P = jE para este caso pode ser calculada a partir destes
dados experimentais,
resultando em P = 9,6kW/cm3.
A figura 6 mostra a variao da densidade de potncia eltrica com a
distncia entre
o catodo oco tubular e o anodo L, para uma corrente eltrica de
operao de 5mA. Tambm
para esta corrente construiu-se a curva da variao da densidade
de eltrons em funo de L
(figura 7). Observa-se que a densidade de eltrons aumenta com L,
para uma corrente
eltrica mantida constante. Uma possvel explicao est no aumento
da tenso eltrica de
sustentao de uma descarga mais longa.
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0,0 5,0x10-2
1,0x10-1
1,5x10-1
2,0x10-1
2,5x10-1
3,0x10-1
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
6x104
P (W
/cm
3)
L (cm)
Figura 6: Curva da densidade de potncia eltrica em funo da
distncia intereletrodos, para descarga de
microjato de plasma com D = 400 , = 200sccm e corrente de
descarga de 5mA.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
1x1012
2x1012
3x1012
4x1012
5x1012
6x1012
7x1012
ne (
cm
-3)
L (cm)
Figura 7: Densidade de eltrons em funo da distncia entre catodo
e anodo no microjato de plasma de
argnio operado em ar atmosfrico, D = 400 , = 200sccm e corrente
de descarga de 5mA.
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A figura 8 mostra a variao do campo eltrico em funo da corrente
eltrica da
descarga, de acordo com dados obtidos do grfico da figura 3,
para vrios comprimentos do
microjato de plasma, operado em ar atmosfrico. Para todos os
microjatos estudados, curtos
e longos, verifica-se na figura 7 que para operaes com correntes
elevadas o campo
eltrico permanece inalterado, levando a uma saturao deste. Para
distncias catodo-anodo
(L) menores (jatos curtos), a intensidade do campo eltrico
maior. Jatos mais longos (L >
2mm) operam sob campos eltricos com intensidades comparveis
entre si.
A figura 9.1 mostra outro tipo de microdescarga extensa
sustentada, brilhante e
ruidosa, expandida atravs do uso do fluxo intenso de argnio que
flui por um tubo com
dimetro interno de 3mm. O tubo foi polarizado negativamente e
uma folha de metal
posicionada na frente do tubo foi usada como anodo. Pela
abertura do tubo liberou-se um
intenso fluxo de gs argnio, em ambiente atmosfrico.
Aproximando-se bastante o tubo do
anodo, e fornecendo-se uma ddp de mais de 1000V entre eles,
rompeu-se uma descarga
com o auxlio de um faiscador.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2,0x103
4,0x103
6,0x103
8,0x103
1,0x104
1,2x104
1,4x104
1,6x104
1,8x104
L (cm)
0,02 0,10
0,04 0,15
0,05 0,20
0,07 0,25
0,09 0,30
E (
V/c
m)
Id (mA)
Figura 8: Campo eltrico em funo da corrente da descarga para
vrios comprimentos (L) do microjato de
plasma de argnio operado em ar atmosfrico, D = 400 e =
200sccm.
A partir da, afastou-se lentamente o anodo do tubo, atravs de um
micrmetro acoplado a
este, e aumentou-se lentamente a corrente da descarga, para
mant-la continuamente acesa.
Agindo desta maneira, conseguiu-se estender a descarga
brilhante, inicialmente com
aproximadamente 100m de comprimento, at 3,5cm de comprimento,
conforme mostra a
figura 9.1. Observou-se que devido ao dimetro muito grande do
tubo no havia descarga
dentro do tubo e que, portanto, o efeito catodo oco no ocorria.
O tubo servia apenas como
elemento direcionador do fluxo de gs.
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Figura 9: Descarga estendida no modo CC mantida por fluxo de
argnio em ar atmosfrico (1). Descargas
brilhantes idnticas ao caso (1), mas agora operando em corrente
alternada, nas tenses de 5k (2) e 15kV (3)
com 10cm de comprimento.
Operando-se no modo corrente alternada (CA), obteve-se um plasma
sustentado estendido
de 10cm de extenso, na tenso de aproximadamente 12000V, e
verificou-se o aquecimento
e fuso da grade metlica de ao (figura 9.2, 9.3). Devido ao fluxo
de gs, neste caso, a
extremidade do tubo no sofreu aquecimento.
Usando-se o princpio de funcionamento do microjato de plasma,
substituiu-se o
microtubo pelo dispositivo de microcatodo oco. Fixou-se o
dispositivo dentro de um tubo
de poliacetal (isolante eltrico) e introduziu-se gs argnio no
sentido do anodo para o
catodo (figura 10). O dimetro do furo foi de 250m, com eletrodos
de molibdnio
(espessura de 100) e mica como dieltrico (250 de espessura).
Esta descarga no ocorre em ar na presso atmosfrica, no modo
esttico (sem fluxo
de gs), para este dimetro. Contudo, observou-se a formao de um
plasma estvel, no
modo catodo oco e normal, quando se operou com um fluxo de
200sccm, ou mais.
Quando o fluxo de gs flui no sentido oposto, ou seja, do catodo
para o anodo, no se
observa uma descarga estvel. Isto se explica pelo fato do fluxo
de gs, neste caso,
dificultar a aproximao dos ons regio catdica, dificultando a
coliso ons-catodo e
subsequente emisso de eltrons secundrios. Ento, no se estabelece
a descarga no modo
catodo oco, no se observando o efeito de catodo oco.
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Figura 10: Descarga de microcatodo oco operando em ar atmosfrico
(1), para furo com dimetro D = 250
(2), eletrodos de molibdnio com 100 , fluxo de gs argnio =
200sccm e tenso de descarga de 191V
(3), para uma corrente eltrica de 2,5mA.
Figura 11: Associao de 5 microjatos de plasma de argnio em ar
atmosfrico (1). O dimetro interno do
tubo de 150 e cada um foi ligado a um resistor de 470k . A
figura (2) mostra as descargas acesas.
Podemos utilizar estes microjatos de plasma em diversas aplicaes
como, por exemplo, a
deposio de DLC (diamond like carbon) em substratos aquecidos,
com o uso de microjatos
de gs composto por metano e hidrognio, a produo de gs oznio (O3)
atravs da
mistura O2/Ar e a microcorroso de metais e semimetais. Para
aumentar a rea til do
plasma nestes microjatos, com vistas a essas aplicaes, deveremos
associ-los em paralelo,
utilizando resistor em cada microtubo, j que a curva de
tenso-corrente no apresenta
comportamento resistivo positivo. Na figura 11 apresentamos um
conjunto de 5 microjatos
associados em paralelo com resistores individuais idnticos e de
valor igual a 470. O
tubo de ao que serviu como catodo tem dimetro interno de 150, o
fluxo de gs argnio
foi de 200sccm e o microjato foi gerado em ar atmosfrico em CC.
Nesta figura, um fio
condutor de cobre serviu como anodo. Estas associaes bastante
estveis so operadas em
correntes baixas, de poucos miliampres. Neste processo, o prprio
fluxo de gs refrigera o
tubo, podendo-se assim oper-lo por longos intervalos de
tempo.
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4. CONCLUSES
Neste trabalho apresentamos um estudo completo de caracterizao
eltrica de microtochas
de plasma em corrente contnua e uma introduo ao estudo destes
microplasmas em
corrente alternada. As microtochas ou microjatos podem ser
produzidas facilmente
utilizando-se microagulhas metlicas de ao-carbono ou molibdnio,
resistentes variao
de temperatura. A fim de evitar o superaquecimento destes tubos,
um fluxo de gs deve
atravess-los, formando o prolongamento do microplasma em forma
de microjato, que se
estende at o segundo eletrodo. A curva caracterstica
tenso-corrente apresenta uma
operao no modo normal, onde a intensidade de corrente eltrica
aumenta para uma
determinada tenso mantida constante. Deste modo, a operao do
microjato fica reduzida a
uma operao do tipo descarga fria, onde o campo eltrico se mantm
constante na regio
de operao. Diversas aplicaes podem se feitas com microjatos,
como a deposio de
DLC (diamond like carbon) em substratos aquecidos; o uso de
microjatos de gs composto
por metano e hidrognio; a produo de gs oznio (O3) atravs da
mistura O2/Ar e a
microcorroso de metais e semimetais. Para aumentar a rea til,
nestas aplicaes,
deveremos associ-los em paralelo, utilizando resistor em cada
microtubo.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem FAPESP pelo apoio pesquisa no Laboratrio de
Mecnica e no
Laboratrio de ptica e Espectroscopia do Depto de Fsica do ITA
(processo 12/13064-4),
ao CNPq (processo 406035/2013-0) e CAPES (processo
88881.030340/2013-01)
REFERNCIAS
[1] PESSOA, R. S.; SISMANOGLU, B. N.; AMORIM, J.; PETRACONI, G.;
MACIEL, H. S., Hollow
cathode discharges: low and high-pressure operation, in Gas
Discharges, Fundamentals and Applications,
Transworld Research Network, India, 2007.
[2] SISMANOGLU, B. N.; AMORIM, J., European Physical Journal:
Applied Physics 41 (2008) 165-172.
[3] GOMES, M. P.; SISMANOGLU, B. N.; AMORIM, J., Brazilian
Journal of Physics 39 (2009) 25-30.
[4] SISMANOGLU, B. N.; AMORIM, J.; SOUZA-CORRA, J. A.; OLIVEIRA,
C.; GOMES, M. P.,
Spectrochimica Acta Part B 64 (2009) 1287-1293.
[5] OLIVEIRA, C.; SOUZA-CORRA, J. A.; GOMES, M. P.; SISMANOGLU,
B. N.; AMORIM, J.,
Applied Physics Letters 93 (2008) 041503 (3 pages).
[6] SISMANOGLU, B. N.; CAETANO, R., Revista Brasileira de
Aplicaes de Vcuo 29 (2010) 25-30.
[7] SISMANOGLU, B. N.; GRIGOROV; K. G.; CAETANO, R.; REZENDE, M.
V. O.; HOYER, Y. D.,
European Physical Journal D 60 (2010) 505-516.
[8] SISMANOGLU, B. N.; GRIGOROV, K. G.; SANTOS, R. A.; CAETANO,
R.; REZENDE, M. V. O.;
HOYER, Y. D.; RIBAS, V. W., European Physical Journal D 60
(2010) 479-487.
[9] SISMANOGLU, B. N.; CUNHA, C. L. A.; GOMES, M. P.; CAETANO,
R.; GRIGOROV, K. G.,
Brazilian Journal of Physics, 40 (2010) 459-463.
