El plasma, ese universo de todos... tan desconocido

El ININ hoy
El PLASMA,
ese universo de todos... tan desconocido
Energía electrónica promedio [eV]
104
densidad
atmosférica
experimentos termonucleares
reactores termonucleares
corona solar
102
espacio
interplanetario
ondas de
choque
descarga corona
reactores de pasma
100
temperatura
ambiente
descargas de radio
frecuencia y arcos
ionosfera
flamas
generadores MHD
10-2
108
1016
1012
1020
1024
Densidad electronica (ηe m-3)
Esta lámina muestra algunos ejemplos de los diversos plasmas naturales y de investigación
Por Joel 0. Pacheco Sotelo
El interés en la tecnología a base de
plasma comenzó en 1960. En las siguientes décadas se realizaron las
primeras aplicaciones industriales:
corte, soldadura, spray, síntesis de
partículas ultrafinas, esferodización,
iluminación, por citar algunas. A
partir de los noventa se aprecia un
aumento considerable de las aplicaciones del plasma en otros campos
como la óptica, la ciencia de materiales, la electricidad, la electrónica,
la mecánica estadística, la
magnetohidrodinámica y los altos
vacíos, entre otros. Esta intensa actividad ha
motivado que se publique gran cantidad de
artículos científicos sobre este tema (segundo lugar después de Genética). El impacto
económico en la industria equivale a unos 250
mil millones de euros al año. Tal es el panorama que ofrece este interesante campo del
cual aún falta mucho por conocer.
Definición de plasma
Con el desarrollo, en 1808, de la descarga en
estado estable de arco eléctrico con corriente
directa realizado por Humphry Davy y del
tubo de descarga eléctrica de alto voltaje con
corriente directa, en 1830, por Michael
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Contacto Nuclear
Faraday, dio inicio el estudio científico de la sustancia que se generaba
en estas descargas. Esta sustancia
identificada en 1879 por William
Crookes como el cuarto estado de
la materia, se conoce actualmente
como PLASMA.
El término plasma fue introducido
por Irving Langmuir en 1928, en referencia a una mezcla de átomos
neutros, iones y electrones que casi
presentaba neutralidad eléctrica.
Esta mezcla tenía la propiedad de
ser sensible a la presencia de campos eléctricos y magnéticos. Hoy en
cidad para emitir radiación constituye una propiedad importante que
permite sondearlo para conocer sus
propiedades y establecer un diagnóstico de los parámetros que lo caracterizan, tales como: densidades y
temperaturas de los gases de iones,
electrones y neutrones que los componen, frecuencias de oscilación características, espesor óptico, propiedades de transporte, entre otras.
Revisión de las instalaciones, equipos, sistemas de tierra, así
día, el plasma sigue siendo considerado como el cuarto estado de la
materia y representa aproximadamente el 98% de la materia del universo.
El plasma puede existir en un amplio intervalo de temperaturas desde
prácticamente la temperatura ambiente, como, por ejemplo, el plasma contenido en los tubos de luz
fluorescente, hasta temperaturas de
millones de grados centígrados como
sucede en el interior del sol u otras
estrellas.
Para ilustrar un proceso que conduce a la generación del estado de plasma bajo ciertas condiciones, se puede establecer este sencillo ejemplo.
Cuando se aplica energía térmica a
un bloque de hielo, poco a poco el
medio sólido se transforma hasta
convertirse en agua líquida. Cuando
la temperatura es superior a los O’
C, a este cambio de fase se le conoce como fundición o fusión. Si la
temperatura del medio supera los l
00' C y si la presión atmosférica es
de 760 mm de mercurio, el agua se
evapora pasando a la fase gaseosa,
fenómeno denominado ebullición. Si
se continúa aumentando la temperatura del medio, se llegaría a un
momento en el cual la energía térmica es tal
que las moléculas de agua se disocian en sus
dos átomos de hidrógeno y el de oxígeno. Al
incrementar aún más la energía térmica del
medio, las frecuentes colisiones entre átomos
neutros motivan que electrones orbitales de
las capas externas abandonen sus átomos generando así un gas en el que coexisten átomos neutros, electrones libres y átomos
ionizados, es decir, un plasma. En estas condiciones, se mantiene siempre una neutralidad eléctrica en la escala macroscópica. Sin
embargo, en regiones e intervalos de tiempo
suficientemente pequeños, puede encontrarse que la neutralidad eléctrica no se mantiene
debido a la agitación térmica de las partículas del plasma, lo que puede conducir a una
situación en la que el número de partículas
de un signo supere al de partículas del signo
contrario. El grado de ionización del plasma
depende de la cantidad de energía ténnica que
se le suministre.
Características del estado de plasma
Debido a la gran movilidad de los electrones,
los plasmas son buenos conductores eléctricos y buenos conductores térmicos. Otra característica de los plasmas es su capacidad
de permitir la propagación y transmisión de
ondas electrostáticas y electromagnéticas en
una gran diversidad de modos. Los plasmas
son también un buenos emisores de radiaciones en un espectro muy amplio. La capa-
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Contacto Nuclear
Uno de los aspectos fundamentales
que distingue el comportamiento de
los plasmas del de otros fluidos o
sólidos ordinarios, es que cada partícula cargada interactúa simultáneamente con un número considerable de partículas cargadas vecinas.
En esta forma se configura un comportamiento colectivo, gracias a que
el campo coulombiano de cada carga no alcanza a ser bloqueado por
el campo coulombiano de cargas de
signo opuesto.
Ejemplos de plasmas naturales son:
la ionosfera, que es una capa de plasma que sirve como escudo de protección a los seres vivos contra los
rayos ultravioleta del sol. Esta capa
se encuentra entre los 70 y los 300
km por encima de la superficie terrestre. Otro plasma natural que se
presenta de manera espectacular en
la Tierra es la aurora boreal.
El intervalo de temperaturas de los
plasmas creados por el hombre va
desde la temperatura ambiente hasta aquéllas comparables con las encontradas en el interior de las estrellas, mientras que el intervalo de densidades es tan amplio como 20 órdenes de magnitud; es decir, desde
plasmas muy tenues hasta los más
densos como los de los interiores estelares.
Entre los plasmas creados por el
hombre se encuentra el plasma tér-
mico, el cual tiene muchas aplicaciones industriales, la más conocida
es la del arco eléctrico para soldadura. Este tipo de plasmas está caracterizado por el hecho de que la
temperatura del gas de electrones Te
es casi igual a la temperatura del
gas de partículas pesadas Th (iones,
átomos, etc.), de manera que el estado del plasma se aproxima a uno
de equilibrio térmico y de ahí su
nombre. El plasma térmico tiene una
alta densidad electrónica (1022 a 1011
partículas/m3 ) y baja energía de los
electrones. Este plasma se puede
producir mediante arcos eléctricos,
antorchas de plasma y descargas de
radio frecuencia. Su repetida aplicación en la industria se debe a su
alta densidad de energía, su capacidad para calentar, fundir y, en algunos casos, para lograr la síntesis de
nuevos materiales.
Generación de plasmas por descarga eléctrica
En general, un plasma es producido
bajo la influencia de un campo eléctrico que produce la aceleración en
los electrones libres hasta que sus
energías se elevan lo suficiente para
que, a través de colisiones con átomos neutros despojen a éstos, a su
vez, de electrones, produciendo
ionización. Debido a sus propiedades físicas (masa y carga eléctrica),
las partículas forman un plasma con
comportamientos diferentes en presencia de un campo electromagnético. Por su pequeña masa, los electrones son más fáciles de acelerar
que los iones y que el resto de las
partículas pesadas; por lo tanto, la
energía cinética de los electrones es
más importante que la de las otras
partículas, permitiendo así la
ionización de otros átomos mediante colisiones; de manera que la transferencia de energía del campo eléctrico está dirigida fundamentalmente por los electrones.
Dentro de la descarga, la columna de arco es
un gas o vapor a muy alta temperatura, fuertemente ionizada, de tal forma que puede conducir una corriente eléctrica elevada. La columna está compuesta de electrones, iones y
partículas neutras. En la vecindad de los electrodos, los vapores metálicos producidos por
evaporación y pulverización se mezclan con
el gas modificando profundamente las propiedades locales de la descarga y generando
ciertas zonas «obscuras».
La descarga eléctrica puede producirse con
corriente continua o alterna (a relativamente
baja frecuencia <400 kHz), o bien, por descargas de radiofrecuencia o de micro-ondas.
Existen diversas configuraciones para generar estas descargas; dentro del primer caso,
el dispositivo utilizado son los denominados
cañones de plasma o antorchas, utilizadas en
diversos procesos industriales y de investigación.
Los valores de las corrientes típicas están
comprendidos en el intervalo de varios cientos de amperes y el voltaje depende del gas
utilizado, teniendo un intervalo de 30 a 1
OOV. La velocidad del chorro («jet») de plasma que emerge de una boquilla, puede alcanzar los 1000m/s. El reducido orificio de salida (5-8 mm) de la boquilla genera fuertes
gradientes de temperatura (103K/mm). Cuando este tipo de antorcha es utilizada para revestimiento de superficies, se pueden inyectar polvos con granulometrias entre 5 y 100
mm con tiempos de residencia de fracciones
de milisegundos. La columna del arco alcanza temperaturas de entre 12,000 y 26,000 K.
circula el gas a ionizar. Este último
es el receptor de intensas corrientes
de campo electromagnético que provocan procesos de lonización y como
consecuencia se genera un plasma
térmico en el que se pueden alcanzar potencias desde unos cuantos
kilo Watts hasta 400 kW, con diámetros de 18 mm a 100 mm respectivamente. La principal ventaja del
plasma inductivo es la de no contener electrodos ni boquillas que restrinjan la salida del plasma, lo que
permite mejores condiciones de operación.
Descarga de microondas
La energía necesaria para la excitación e ionización del gas es originada por el campo eléctrico obtenido
a partir de una fuente de microondas.
Las frecuencias de operación van de
1 MHz a 10 GHz (normalmente
2450 MHz) en una cavidad resonante, la cual forma parte del circuito
La longitud del chorro depende de la velocidad del flujo de plasma y de la tasa de ocurrencia de los procesos de neutralización.
Descarga de radio frecuencia
El plasma también puede obtenerse mediante
un acoplamiento inductivo de una bobina alimentada con una corriente senoidal de radio
frecuencia <100 MHz). La bobina rodea un
tubo de material aislante, que puede ser de
cuarzo, con capacidad para soportar temperaturas superiores a los 1000 °C, por donde
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Contacto Nuclear
Jet de plasma
El ININ hoy
Cañón de plasma térmico diseñado
y construido en el ININ
cas ordinarias. Las especies activas
pueden incluir fotones de radiación
ultravioleta y visible, partículas cargadas, incluyendo electrones, iones,
radicales libres y especies neutras
altamente reactivas tales como átomos excitados de oxígeno, flúor, etc.,
así como otros estados atómicos
excitados y fragmentos reactivos
moleculares, como monómeros.
Los campos eléctricos contenidos en
los plasmas de baja temperatura proporcionan energía significativa a los
electrones, mientras que el plasma
permanece lo suficientemente frío,
pudiendo establecer reacciones químicas que son importantes dentro de
diversos procesos de interés industrial y científico.
generador de las microondas. Las
presiones de trabajo van de 10-3 Pa
a varias centenas de kPa. Los electrones reciben la mayor cantidad de
la energía proveniente del campo
eléctrico que oscila a la frecuencia
del generador (magnetrón). Este tipo
de descargas está alejadas del equilibrio térmico y son ampliamente
utilizadas para el depósito de películas delgadas.
información sobre temperaturas y densidades
de partículas a partir de los parámetros de
las líneas espectrales de la radiación emitida
por el plasma. Otras técnicas comúnmente
usadas son las de láser para determinar densidad de electrones, así como las intrusivas
(sonda entálpica y de Langmuir) cuya ventaja es la simplicidad para la obtención de
datos, pero su gran desventaja consiste en la
perturbación que producen en el plasma a sondean
Técnicas de diagnóstico
Aplicaciones industriales de los plasmas
Para la caracterización de los diferentes tipos de plasma, existen muchas técnicas de diagnóstico que se
adaptan a cada tipo de plasma. Uno
de los métodos más utilizados es el
de espectroscopía óptica por emisión/absorción, ya que es una técnica no intrusiva y permite obtener
Los plasmas ofrecen principalmente dos características de interés industrial: pueden alcanzar temperaturas y densidades energéticas mayores que las obtenidas mediante cualquier método convencional y pueden producir especies activas energéticas que inicien
reacciones químicas o cambios físicos que difícilmente se producen en reacciones quími-
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Contacto Nuclear
Mediante la tecnología de plasma,
se fabrican semiconductores y dispositivos avanzados de microondas.
Otras áreas de aplicación de los diversos tipos de plasmas son: el tratamiento térmico, corte y fundición
de metales, deposición de materiales para recubrimiento de superficies. síntesis de materiales como es
el caso de la producción de cerámicas ultrafinas, pigmentos, silicio sintético de alta pureza, etc., estudios
espaciales, particularmente para la
simulación de reingreso de vehículos a la atmósfera, como también
estudios de sistemas de propulsión
espacial, de descargas en gases para
propósitos de iluminación, generación y/o transmisión de ondas electromagnéticas, tratamiento de residuos peligrosos como compuestos
organoclorados,
bifenilos
policlorados, residuos biológico infecciosos, residuos reactivos y/o
corrosivos, reducción, vitrificación
y confinamiento de residuos
radiactivos sólidos, etc. Algunas de
estas aplicaciones serán tratadas en
una entrega posterior. ❉