Estudio teórico y experimental de la característica iónica de plasmas DC
Autor
Díaz Cabrera, Juan Manuel
Director/es
Fernández Palop, José IgnacioEditor
Universidad de Córdoba, Servicio de PublicacionesFecha
2014Materia
Sonda electrostática de LangmuirDispositivo experimental
Características iónicas
Plasmas DC
Plasma de Argón
Plasma de Neón
Plasma de Helio
METS:
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Este trabajo realiza una profunda revisión bibliográfica de las teorías más relevantes,
relativas a la vaina iónica positiva que se forma alrededor de una sonda electrostática Langmuir
cilíndrica que introducimos en un plasma electropositivo. En el mismo, se desarrolla un dispositivo
experimental que permite realizar una descarga DC en gases Argón, Neón y Helio a baja presión que
dan lugar a un plasma electropositivo muy adecuado para este estudio, por ser muy estable.
Además, dicho dispositivo nos permite controlar las condiciones de la descarga, y obtener un valor
de la temperatura electrónica, Te , comparable al de la temperatura de los iones positivos, Ti . Este
dispositivo experimental se utiliza para verificar el modelo teórico radial, propuesto recientemente
por nuestro grupo de investigación, sobre la vaina iónica positiva que rodea una sonda electrostática
de Langmuir cilíndrica. Dicho modelo considera el movimiento térmico de los iones positivos, es
decir, que Ti no es despreciable frente a Te ( Ti Te0 ). Asimismo, considera que los iones
positivos caen hacia la sonda siguiendo un movimiento radial. Se ha elaborado un dispositivo de
medida que nos permite medir con precisión y rapidez la curva característica IV de una sonda
electrostática de Langmuir cilíndrica introducida en los plasmas generados en la descarga DC. Por
otro lado, se ha implementado un Instrumento Virtual (VI) en el lenguaje de programación gráfica
LabVIEW® para realizar la medida automática de las curvas características IV, mediante las cuales
se han podido medir varias magnitudes que caracterizan al plasma. Hemos verificado
experimentalmente la predicción del modelo, que proporciona un valor para la corriente iónica
recogida por la sonda introducida en el plasma superior a la que predice el modelo ABR para las
mismas condiciones. Se han llevado a cabo dos comparaciones entre los resultados que aportan los
modelos teóricos y los provenientes de las medidas experimentales. Por un lado, se han comparado
las curvas características IV teórica y experimental en la zona de saturación iónica. Por otra parte,
hemos comparado los Sonin plots para los modelos teóricos radiales para varios valores de , y los
puntos experimentales obtenidos usando los valores medidos de la corriente de iones positivos en
un amplio rango de condiciones del plasma. De este modo, el claro acuerdo entre los datos teóricos
y experimentales en ambas comparaciones, nos ha permitido establecer la bondad del modelo
teórico radial propuesto por los autores. Este método de diagnosis es muy adecuado puesto que
utiliza la zona de saturación iónica de la curva característica IV en la que la perturbación producida
por la sonda en el plasma es mínima. Se ha podido obtener, con el VI desarrollado, la densidad
electrónica usando diferentes métodos de diagnosis basados en diferentes teorías aplicadas en
diferentes zonas de la curva característica IV. El buen acuerdo obtenido avala tanto la bondad del
modelo como el método de medida. Hemos comprobado que en el caso de los plasmas de Helio, el
comportamiento de la corriente iónica positiva recogida por una sonda electrostática de Langmuir
cilíndrica muestra una transición desde el movimiento radial al movimiento orbital, debido a que la
masa de los iones de Helio es muy baja en comparación con las de los iones de Argón y Neón. Hemos
usado varios criterios que discriminan entre el comportamiento radial u orbital para los iones que
alcanzan la sonda y que corroboran el comportamiento observado para el caso del Argón, Neón y
Helio This work provides a thorough bibliographical research about the most significant theories
dealing with the positive ion sheath, formed in the surroundings of a cylindrical electrostatic
Langmuir probe, immersed in an electropositive plasma. It also develops an experimental device to
produce DC discharges in argon, neon and helium at low pressure to provide very stable plasmas
quite adequate for our purposes. Besides, the experimental device allows us to control the discharge
conditions and to produce plasmas in which the electron temperature Te is similar to the positive
ion temperature, Ti . The experimental device has been used to verify the theoretical model
developed by our research group about the positive ion sheath which takes place in the
surroundings of a cylindrical Langmuir probe. The theoretical model takes into account the positive
ion thermal motion, i. e. a positive ion temperature Ti which is not negligible compared to the
electron one Te ( . .Ti Te.0 ). The theoretical model also considers a radial motion of the positive
ions towards the probe. We have developed a measurement device which allows us to measure fast
and accurately the I.V current to voltage characteristic curve of the cylindrical Langmuir probe,
which is immersed in the plasmas produced by the DC discharge. On another hand, a virtual
instrument (VI) has been programmed by using the graphic programming language LabVIEW® in
order to automatically acquire the I.V characteristic curves, from which several magnitudes
characterizing the plasma are measured. We have verified by the experiments the results
concerning to the theoretical model, which provides an ion current higher than the one provided by
the ABR model for the same plasma conditions. We have compared the results coming from the
theoretical model and from the experimental measurements by using two different methods. On
the one hand, we have compared the theoretical and experimental I.V curves in the ion saturation
zone. On the other hand, we have compared the Sonin plots, calculated from the theoretical radial
models for different . values with the experimental data for a wide plasma parameters range. In
this way, the agreement between the experimental data and the theoretical predictions allows us to
establish the goodness of the theoretical model developed by our research group. The diagnostic
methods based on the ion saturation current zone of the current to voltage characteristic curve is very
adequate since the perturbation produced by the presence of the Langmuir probe in the plasma is
negligible. The Virtual Instrument, which has been developed, allows us to measure the electron
density by using different diagnostic methods which are based on different theories each one
applied to each zone of the I.V current to voltage characteristic curve. The good agreement
between the different values obtained ensures the goodness of both the theoretical models and
measurement method. We have observed that in the case of helium plasmas, the ion current
collected by the cylindrical Langmuir probe shows a transition from radial to orbital motion of the
positive ions towards the probe, due to the low mass of the helium ions in compared to the ones of
argon and neon. We have used some criteria to distinguish between the two behaviours, radial or
orbital, of the positive ions which reach the Langmuir probe, and which corroborate the behaviour
observed in the cases of argon, neon and helium plasmas.
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