Estudio experimental de plasmas de onda de superficie generados con mezclas de gases a presión atmosférica

Abstract

El estudio de los plasmas inducidos por microondas (MIPs) ha despertado en los últimos años un gran interés desde el punto de vista tecnológico dada su gran versatilidad y facilidad de manipulación en campos de aplicación tan diversos como la química analítica, la eliminación de sustancias tóxicas, la esterilización y tratamiento de superficies, la generación de hidrógeno o la síntesis de nuevos materiales. En particular, los plasmas de onda de superficie (POS), forman una categoría especial dentro de los plasmas de microondas y se caracterizan desde un punto de vista práctico por su gran estabilidad y reproducibilidad, unidas a su bajo consumo tanto energético como de gases plasmógenos. Estos aspectos permiten un diseño ágil y una implementación sencilla de las aplicaciones, en comparación con otras descargas, cuya operación suele resultar más compleja y/o costosa. No obstante, gran parte de las aplicaciones de los plasmas tienen en común el llevarse a cabo empleando mezclas de gases plasmógenos, mientras que los estudios, tanto teóricos como prácticos, concernientes a las descargas de onda de superficie ha tendido a considerar en la mayor parte de los casos descargas constituidas por un único gas, ya que la interacción entre múltiples constituyentes en el gas tiende a aumentar considerablemente la complejidad de las medidas experimentales y del desarrollo de modelos teóricos. Sin embargo, la optimización de estas aplicaciones precisa irremisiblemente de la obtención de un conocimiento lo más completo posible de la descarga, que habitualmente significa conocer ciertos parámetros que se consideran fundamentales (densidad y temperatura electrónicas, temperatura del gas, población de los átomos en los distintos estados excitados…). De la relación existente entre estos parámetros puede además derivarse el conocimiento del estado de equilibrio termodinámico de la descarga, que a su vez está relacionado con la cinética de los procesos que tienen lugar en el plasma objeto de estudio. Para realizar estos estudios pueden emplearse diferentes métodos de diagnosis entre los que se encuentran los métodos espectroscópicos, que se caracterizan por utilizar la radiación electromagnética que emite o absorbe el plasma para obtener información del mismo. Entre estos métodos, aquellos basados en la espectroscopia de emisión son particularmente interesantes dado su carácter no perturbativo, ya que permiten obtener información del plasma a partir de la radiación electromagnética emitida por los átomos y moléculas que lo componen sin alterar las condiciones del mismo. En la presente memoria se ha abordado el estudio experimental, mediante métodos espectroscópicos, de un plasma de onda de superficie generado con mezclas Ar–He a presión atmosférica, y se ha estructurado de la siguiente forma. En el Capítulo 1 se exponen los conceptos generales que contextualizan adecuadamente el presente estudio. Se presentan y clasifican los plasmas de onda de superficie, se establecen los conceptos más relevantes sobre equilibrio termodinámico que serán utilizados, se presentan los aspectos generales de los métodos espectroscópicos y el dispositivo experimental utilizado a lo largo de este estudio y se realiza una revisión del estado actual del conocimiento de los plasmas Introducción 3 generados con mezclas de Ar y He. En el Capítulo 2 se estudia la influencia de la adición de He a un plasma de onda de superficie de Ar generado a presión atmosférica en concentraciones de hasta el 60%, prestando atención a la variación de la densidad lineal de potencia, la densidad electrónica y la intensidad de las líneas atómicas del Ar. Junto a esto, se presenta un estudio cualitativo de la influencia de la proporción de He en la contracción radial de la descarga. En el Capítulo 3 se presenta el método de medida de la temperatura del gas mediante el ensanchamiento de van der Waals, que es ampliado para su uso en descargas generadas con mezclas de Ar y He, tomando en consideración la influencia de las interacciones de los átomos neutros de He con los emisores de Ar. El Capítulo 4 está dedicado a un estudio más profundo de las descargas Ar–He considerando proporciones de He de hasta el 99% y prestando atención a la variación longitudinal de los parámetros de la descarga (temperatura del gas y densidad electrónica). Junto a esto, se aborda el análisis de la influencia de la proporción de He en el estado de equilibrio termodinámico de la descargas de onda de superficie generadas en mezclas Ar–He a presión atmosférica. En el Capítulo 5 se realiza una caracterización espectroscópica completa de una descarga de helio puro mantenida por una onda de superficie a presión atmosférica, atendiendo especialmente al estado de equilibrio termodinámico de la descarga. Lo resultados experimentales son comparados con los resultados teóricos obtenidos mediante modelización y con los parámetros conocidos para descargas similares de Ar y Ne puro. Finalmente se exponen las conclusiones obtenidas a los largo de este trabajo de Tesis Doctoral y se incluyen tres anexos en los que se amplían con más detalle los parámetros característicos de una línea espectral, el perfil Voigt de las líneas atómicas y las líneas atómicas del helio.

En esta configuración del aragón encontramos dos estados metaestables y dos estados resonantes. Los estados metaestables se caracterizan porque no están conectados radiativamente con el estado fundamental, lo que unido al valor de su energía y a la características intrínsecas de estos niveles tales como su elevado tiempo de vida media, les confieren un comportamiento especial en la descarga, jugando un papel muy importante en las numerosas aplicaciones industriales de las mismas. Conocer su densidad es imprescindible para la correcta puesta en práctica de dichas aplicaciones. Los estados resonantes si están conectados radiativamente con el estado fundamental, pero la pequeña diferencia de energía existente entre los cuatro niveles de esta configuración da lugar a que se encuentren interconectados entre sí, por lo que presentan un comportamiento similar y puden ser caracterizados com "pseudometaestables".