16-03-15 plasmas a baja temperatura-introd. invest. iem-2015 · 2017. 12. 5. · microsoft...

16 Marzo 2016Curso de Introducción a la Investigación IEM‐CSIC

2ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Pre

sión

(P

a)

Temperatura (K)

Punto de

Fusión Punto de Ebullición

1 atmLIQUIDO

SOLIDO

H2O

GAS

Diagrama de fasesdel agua

Aporte de Energía Calorífica y Aumento de Temperatura

SÓLIDO LÍQUIDO GAS

PLASMA : “Gas altamente ionizado con igualnúmero de cargas libres positivas y negativas”.

PLASMAGAS

MAGNITUDES FUNDAMENTALESDEL PLASMA    

• Densidad de cargas libres (Ne)• Temperatura electrónica (Te).

3

Movimiento Individual

Comportamiento Colectivo

Aporte de energía (de diversos tipos) y aumento de temperatura

102 103 104 105 106 107 108 109

10-2 10-1 100 101 102 103 104 1051010

1015

1020

1025

1030

1010

1015

1020

1025

1030

Ne (

m- 3

)

Ee (eV)

Te (K)

LLightning

Solar core

Fusion reactor core

Aurora Plasma Nebula

Flame

Laser focus

Arc

Conductor Solids

Interplanetary Space

Solar corona

Solar photosphere

Fusion plasma edge

Glow

PLASMAS

4

COLDPLASMAS

5

PLASMA:¡MÁS DEL 99% DE LA MATERIA CONOCIDA DEL UNIVERSO!

• El estado de agregación más energético

• El último “comprendido” por el ser humano

“Cuarto Estado de la materia”. 

…pero el primero en el tiempo… 

13.7 billions years

DENSE PLASMA: “Dark Ages”

3th Generation of StarsMolecules, Planets, Life

Fusion in Stars New Elements

BIG BANG

109

3000

15

2.7

T (K)

1016

1028

1032

Cosmic MW BackgroundLIGHT

6

TODO PLASMA BRILLA CON LUZ PROPIAllamas, rayos, auroras, estrellas…

7

Podemos observarlos a grandes distanciasy analizar su luz por TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS

Al contrario que los gases, son BUENOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS

CLASES DE PLASMAS

1. PLASMAS TÉRMICOS  Tglobal > 3000 K

¡ SISTEMAS MUY ALEJADOS DEL EQUILIBRIO TERMODINÁMICO !

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2. PLASMAS A BAJA TEMPERATURA (Plasmas Fríos) • Electrones muy energéticos• Partículas pesadas más frías (neutros/iones)

Te 30.000 K Tgas 300 K

• PLASMAS FRIOS: suelen ser generados con descargas eléctricasa baja presión (ej. lámparas fluorescentes).

• Grado de ionización muy bajo (Ne/Ngas 10‐3 – 10‐6)

• Los electrones se aceleran eficazmente en el campo eléctrico( Te alta) pero, al ser muy ligeros, ceden poca energía porchoques elásticos a las partículas más pesadas ( Tgas baja).

+ _

1 mbar Air DC discharge

9

• Neutralización• Desexcitación (Emisión de luz) • Recombinación: Reacciones en fase gas y en superficie• Efectos en Pared  Recubrimientos, “Sputtering” & “Etching

Procesos Elementales en Plasmas Fríos 

• Ionización  AB + e– AB+ + 2e–• Excitación  AB + e– AB* + e–

• Disociación  AB + e– A + B + e–

PRIMARIOS

SECUNDARIOS

10

! Gran número de especies y procesos implicados !

¡ Enorme interés en Investigación Básicay Aplicaciones Tecnológicas !

¡ SISTEMAS MUY REACTIVOS A BAJA TEMPERATURA!

11

ALMA (Atacama LargeMm/sub‐mm Array)Desierto de Atacama, Chile, 5057 m altitud

Estudios de Interés Astrofísico

Generación y estudio de especies excitadas, iones, radicales… (caracterización espectroscópica).

200 especies moleculares detectadas en el espacio,algunas muy exóticas según patrones terrestres.

H3+ en Júpiter (1990) y en el

espacio (1996) tras su estudioespectroscópico en laboratorio

(1980)

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¡Presentación de José Luis Doménech!

Thiswork

Simulación en laboratorio de la formación de polvo interestelar. Las nubes de polvo colapsan por gravedad

dando origen a nuevas estrellas.

Enormes nubes de gas y polvoen la Nebulosa del Águila, 

a 7.000 años luz de la Tierra. 

Plasma de CH4+He (IEM‐CSIC)para generar depósitos de a‐C:H. 

Comparación con espectroIR de polvo interestelar. 

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Laboratorio de plasmas Fríos (IEM‐CSIC)

Ingeniería de SuperficiesDureza, resistencia al rozamiento o al ataque químico, impermeabilidad, conductividad, propiedades ópticas, biocompatibilidad de implantes…

Tratamientos aplicables a materiales que no soportan altas temperaturas.

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Tejidos tratados con plasma, que repelen la humedad 

y las grasasMicrocristales de diamante para cubrir herramientas 

de corte

Prótesis metálica de rodilla cubierta de 

material biocompatible

Recubrimientos ópticos

Depósito con plasmade CH4 + He (IEM‐CSIC)

Microelectrónica y Nanotecnología

Cámara de “sputtering” (erosión) por plasma.

Magnetrón (plasma confinado magnéticamente)

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Esterilización por plasma 

Materiales que no soportan altas temperaturas:

Instrumentación médica, envases de alimentos… 

Doble acción bactericida:

• Radiación ultravioleta.• Radicales fuertemente oxidantes.

Catéteres para diálisisy tubos de ensayo

de materiales orgánicos

16

17“Joint European Torus” (J.E.T)

Materiales expuestos al plasma en Reactores de Fusión

17

18

Motores Iónicos para Propulsión Espacial

Sonda Lunar “Smart‐1” de la Agencia Espacial Europea,impulsada por plasma de Xe.

Combustible total = 82 kg

18

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¡ Muchas Gracias !