Sobre Plasma

Definição de um plasma

Um plasma é um gás de partículas carregadas (íons e elétrons) e neutros (átomos e moléculas), mas também de fótons. Mais específico, pode ser caracterizado como um gás totalmente ou parcialmente ionizado que é eletricamente neutro como um todo, ou seja, o número de cargas positivas e negativas é igual. Muitas vezes, é considerado o 4º estado da matéria porque surge quando fornece energia para um gás, embora não haja uma fase brusca de transição, como as transições do sólido para o líquido e do líquido para o gás. Um nome alternativo para o plasma é a descarga incandescente devido ao brilho característico do plasma devido a desexcitações de partículas com a emissão acompanhada de fótons. Na Terra, o plasma não ocorre como um estado natural, com exceção de relâmpagos e chamas, mas no espaço exterior o plasma é a forma mais comum de matéria. Os plasmas gasosos gerados artificialmente possuem inúmeras aplicações ao serviço da humanidade. O plasma é encontrado em várias aplicações como fontes de luz, novos tipos de telas de televisão, em reatores para experimentos de fusão, etc. Provavelmente a mais comum e de maior importância econômica, as aplicações de plasma no processamento de sólidos, bem como de gases, são. Ao contrário dos plasmas para fusão, esses plasmas são "frios", ou seja, não em equilíbrio termodinâmico, onde o gás está em baixa temperatura enquanto os elétrons possuem energias (temperaturas) suficientemente altas para ionizar, excitar, dissociar, etc. parte das partículas de gás.

Geração de plasmas

Os plasmas para aplicações industriais no processamento de materiais são gerados por diferentes fontes de plasma.

Um plasma pode ser gerado aplicando uma tensão entre dois eletrodos em um gás e com uma certa tensão, dependendo da pressão do gás e da distância entre os eletrodos, ocorrerá uma quebra no gás de modo que o gás se torne condutor devido à ionização. A ionização é causada por colisões entre elétrons, acelerados para a energia de ionização pelo campo elétrico e partículas neutras, por exemplo, átomos. Toda colisão que gera um elétron livre pode causar uma nova ionização, mas o primeiro elétron também é livre para colidir de novo, então a ionização aparece como um processo de avalanche. Eventualmente, este processo atinge um estado estacionário entre a geração e a perda das partículas carregadas. A perda de íons e elétrons do volume plasmático pode ocorrer por recombinação e difusão para os limites do plasma. O início da ionização é habilitado pelos íons primários e elétrons que sempre estão presentes em qualquer gás neutro, por exemplo devido à ionização por radiação cósmica. Os elétrons com energia insuficiente para ionizar um átomo podem mudar sua estrutura eletrônica e excitá-lo e quando o átomo desexcita um fóton pode ser emitido. A recombinação de partículas carregadas e deexcitações contribuem para uma característica de brilho para os sistemas de plasma.

No tipo mais simples de uma descarga brilhante, a tensão aplicada é uma tensão CC e os dois eletrodos representam um cátodo e um ânodo, respectivamente. O campo elétrico não é distribuído uniformemente entre os eletrodos, o que causa diferenças no brilho do brilho. A parte mais intensa da descarga é o "brilho negativo" próximo, mas separado do cátodo. A região entre este brilho e o cátodo é "o espaço escuro do cátodo" ou "a bainha de carga espacial" onde o potencial cai drasticamente. Devido a nenhuma ou poucas colisões e, portanto, nenhuma emissão de fótons nesta região parece escuridão. Os íons positivos serão acelerados pela queda potencial através da bainha e colidirão com a superfície do cátodo. Isso pode causar a emissão de elétrons secundários que são repelidos do cátodo para o brilho negativo e aumentam a ionização lá. Os íons também podem eliminar átomos do material catódico e esse efeito é usado na pulverização catódica como fonte de material a depositar. Se a distância entre o cátodo e o ânodo é suficientemente longa em relação à largura da descarga, pode aparecer uma outra região de brilho, "coluna positiva". No ânodo também há um espaço escuro, mas muito fino.

Se o cátodo estiver rodeado por um material não condutor, um plasma não pode ser sustentado por uma tensão CC devido ao carregamento da superfície do eletrodo. Neste caso, é possível accionar o eletrodo com tensão de radiofrequência (RF) para permitir a geração da descarga. As descargas de RF geralmente têm ionização mais eficiente do que as descargas de DC. Os elétrons têm massa muito baixa e eles podem seguir facilmente as oscilações de RF enquanto os ions seguem o campo da média do tempo. No caso de um cátodo condutor, um capacitor de bloqueio entre o cátodo e a fonte de alimentação pode ser usado para construir uma polarização DC negativa no cátodo (na verdade em ambos os eletrodos) e uma bainha de carga espacial pode ser formada entre os eletrodos e o plasma . Em uma descarga de RF, os iões serão acelerados através desta bainha, como no caso DC.

Catodos ocos

A existência de bainhas em geometrias de eletrodo oco pode dar origem a uma descarga "extra" - a descarga ocular do cátodo (HCD) - que é utilizada nas fontes do cátodo oco. Em um sistema de dois eletrodos com um eletrodo negativo oco (cátodo) e um contraeletro maior (ânodo), o HCD pode surgir dentro da cavidade no cátodo simultaneamente com a descarga "ordinária" entre o cátodo e o ânodo se a distância do oposto As paredes na cavidade são aproximadamente iguais à largura do brilho negativo. A origem do HCD é um aprisionamento de elétrons dentro do cátodo oco quando os elétrons energéticos emitidos de uma parede de cátodo são acelerados através da bainha em direção à parede oposta. Quando atingem a bainha idêntica no lado oposto com o mesmo campo elétrico oposto, eles são refletidos de volta. Os elétrons são presos e forçados a oscilar entre as bainhas opostas. Este mecanismo é chamado de "efeito de cátodo oco". Durante essas oscilações, os elétrons podem sofrer colisões inelásticas com átomos de gás e aumentar a probabilidade de ionização dando um plasma muito denso dentro do cátodo. Este plasma é forçado a sair do cátodo através do fluxo de gás. O cátodo oco também pode ser alimentado por uma fonte de alimentação de RF. Os elétrons podem oscilar muitas vezes durante um ciclo de RF, dando uma alta densidade plasmática. Os cátodos ocos podem ter geometrias diferentes: tubos, matrizes de tubos ou placas paralelas (cátodos vazios lineares).