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

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ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE ONDA DE SUPERFICIE GENERADOS CON MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN ATMOSFÉRICA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA Facultad de Ciencias José Muñoz Espadero Córdoba 2010 TITULO: Estudio experimental de plasmas de onda de superficie generados con mezclas de gases a presión atmosférica AUTOR: JOSE MUÑOZ ESPADERO © Edita: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Córdoba. 2010 Campus de Rabanales Ctra. Nacional IV, Km. 396 14071 Córdoba www.uco.es/publicaciones publicaciones@uco.es ISBN-13: 978-84-693-3001-2 UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA Facultad de Ciencias ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE ONDA DE SUPERFICIE GENERADOS CON MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN ATMOSFÉRICA José Muñoz Espadero Córdoba, Mayo de 2010 José Muñoz Espadero Córdoba, Mayo de 2010 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE ONDA DE SUPERFICIE GENERADOS CON MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN ATMOSFÉRICA Memoria presentada por JOSÉ MUÑOZ ESPADERO para optar al grado de DOCTOR por la UNIVERSIDAD DE CORDOBA Fdo. José Muñoz Espadero Vº Bº de la directora de la Tesis Fdo.: María Dolores Calzada Canalejo Profesora Titular del Departamento de Física de la Universidad de Córdoba Córdoba, Mayo de 2010 UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA Departamento de Física D.

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Publié le 01 janvier 2010
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ESTUDIO EXPERIMENTAL
DE PLASMAS DE ONDA DE SUPERFICIE
GENERADOS CON MEZCLAS DE GASES
A PRESIÓN ATMOSFÉRICA

















UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
Facultad de Ciencias

José Muñoz Espadero
Córdoba 2010 TITULO: Estudio experimental de plasmas de onda de superficie generados con
mezclas de gases a presión atmosférica
AUTOR: JOSE MUÑOZ ESPADERO
© Edita: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Córdoba. 2010
Campus de Rabanales
Ctra. Nacional IV, Km. 396
14071 Córdoba
www.uco.es/publicaciones
publicaciones@uco.es
ISBN-13: 978-84-693-3001-2

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA


Facultad de Ciencias






ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE
ONDA DE SUPERFICIE GENERADOS CON
MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN
ATMOSFÉRICA





José Muñoz Espadero

Córdoba, Mayo de 2010




José Muñoz Espadero

Córdoba, Mayo de 2010



ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE
ONDA DE SUPERFICIE GENERADOS CON
MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN
ATMOSFÉRICA




Memoria presentada por JOSÉ MUÑOZ ESPADERO
para optar al grado de DOCTOR
por la UNIVERSIDAD DE CORDOBA





Fdo. José Muñoz Espadero


Vº Bº de la directora de la Tesis






Fdo.: María Dolores Calzada Canalejo
Profesora Titular del Departamento de Física
de la Universidad de Córdoba Córdoba, Mayo de 2010




UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

Departamento de Física



D. Antonio Dengra Santa–Olalla, Director del Departamento de Física de la
Universidad de Córdoba

INFORMA: que el presente trabajo de investigación titulado
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE ONDA DE SUPERFICIE
GENERADOS CON MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN ATMOSFÉRICA,
que constituye la memoria que presenta D. José Muñoz Espadero para aspirar
al grado de DOCTOR, ha sido realizado en los laboratorios de este
Departamento y reúne las condiciones exigidas según la legislación vigente.

Y para que conste, expide y firma el presente informe en


Córdoba, Mayo de 2010





Fdo.: Antonio Dengra Santa–Olalla





MARIA DOLORES CALZADA CANALEJO, PROFESORA
TITULAR DE UNIVERSIDAD DEL DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE
LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA






INFORMA: que el presente trabajo de investigación titulado
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE PLASMAS DE ONDA DE SUPERFICIE
GENERADOS CON MEZCLAS DE GASES A PRESIÓN ATMOSFÉRICA,
que constituye la memoria que presenta D. José Muñoz Espadero para aspirar
al grado de DOCTOR, ha sido realizado bajo su dirección.





Y para que conste, expide y firma el presente informe en



Córdoba, Mayo de 2010





Fdo.: María Dolores Calzada Canalejo
La investigación realizada en la presente memoria ha sido realizado en el
laboratorio del Grupo de Espectroscopia de Plasmas del Departamento de
Física de la Universidad de Córdoba, formando parte de la programación
plurianual de actividades del Grupo de Investigación FQM 301 de la
Universidad de Córdoba, financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia
en el marco del Proyecto ENE2005-00314 del Ministerio de Ecuación y
Ciencia y Fondos Europeos FEDER.

















Agradecimientos

Debo comenzar una vez mas agradeciendo a Maria Dolores Calzada su esfuerzo y
dedicación. Las jornadas compartidas para llevar el presente a término este trabajo se cuentan
ya por años, a lo largo de los cuales me ha enseñado mucho mas de lo que puede quedar
reflejado en esta memoria, y siento que no haría verdadera justicia a su labor si no dejara
constancia de mi gratitud, dedicándole estas líneas.

No puedo tampoco olvidar a todos aquellos excelentes científicos de los que he tenido la
oportunidad de aprender y con los que he tenido la suerte de colaborar: Milan Dimitrijevi ć,
Joelle Margot, Elena Tatarova y Cristina Yubero. A todos ellos corresponde también una
buena parte del mérito de la presente memoria.

A aquellos mas cercanos en el día a día les debo también unas palabras por todo lo que han
hecho y continúan haciendo por mí, cada uno a su manera, sin que aparentemente quede
reflejado en esta memoria. Es por ello que mis padres y mi hermana están presentes aquí,
aunque no lo crean o piensen que de alguna forma es su obligación.

Tampoco puedo dejarme atrás a Isabel por el apoyo que me ha prestado, la comprensión
frente a las largas jornadas de trabajo que muchas veces ha compartido conmigo y el
entusiasmo con el que me anima en todo lo que hago.

Finalmente, debo agradecer a todos los integrantes del Grupo de Espectroscopia de Plasmas
por el excelente ambiente de trabajo, así como el interés, ánimos y todos los buenos ratos que
hemos compartido a lo largo de estos años y los que aún están por venir.
INDICE

Introducción 1
Conceptos generales para el estudio de plasmas de onda de 5
superficie

6 Plasmas mantenidos por onda de superficie
Definiciónde plasma 6
Cuasineutralidad. Longitud de Debye 6
Comportamiento colectivo 7
La frecuencia del plasma 8
Clasificación de los plasmas 9
Plasmas de onda de superficie 11
Dispositivos para la generación de plasmas de onda de superficie 14

Equilibrio termodinámico 16
Mecanismos de intercambio de partículas y energía. Funciones de distribución 17
Ley de distribución de Maxwell para las velocidades de las partículas 17
Ley de Boltzmann de distribución de estados excitados 17
Ley de Saha para estados de ionización contiguos 18
Ley de Planck para la densidad de radiación emitida por el plasma 18
Equilibrio termodinámico completo 19
Equilibrio termodinámico local 19
Desviaciones respecto del ETL 20
Plasmas de dos temperaturas 20
Equilibrio termodinámico local parcial 21
Desviaciones mayores respecto del ETL 21

Espectroscopia de emisión 22
Ensanchamiento de una línea espectral 23
Métodos de diagnosis 25
Temperatura de excitación. Función de distribución de estados atómicos 26
excitados
Temperatura electrónica 27
Temperatura del gas 28
Densidad electrónica 32

Dispositivo experimental 34
Dispositivo de creación y mantenimiento de la descarga 34
Dispositivo para la diagnosis espectroscópica de la descarga 35

Plasmas generados con mezclas Ar–He 37
Glow discharges 37
Plasmas de acoplo capacitivo 40

Plasmas de acoplo inductivo 42
Plasmas de microondas 43


Experimental research on surface wave Ar–He discharge at 51
atmospheric pressure

Introducción 52

Experimental procedure 53

Results and discussion 55

Plasma length and linear power density 55
Electron density 57
Intensities of ArI spectral lines 59
Excitation and ionization kinetics 59
Influence of the He proportion in plasma radial contraction 65

Conclusions 66


Using the van der Waals broadening of spectral atomic lines to 71
measure the gas temperature of an argon–helium microwave
plasma at atmospheric pressure.

Introduction 72

Van der Waals broadening of the atomic lines 73

Experimental procedure 75

Results and discussion 76
Experiments with air as coolant 76
Electron density and gas temperature 76
Gas temperature from the van der Waals broadening of the atomic lines 78
Experiments with dielectric (1–Tetradece) as coolant 82

Conclusions 83


Thermodynamic equilibrium in atmospheric pressure Ar–He 89
surface wave discharges

Introduction 90