Estudio de la diagnosis de plasmas con iones negativos

Abstract

Desde hace algún tiempo está aumentando el número de trabajos que hacen referencia a la presencia de iones negativos en plasmas. Este tipo de plasmas tienen un alto interés en la tecnología actual, como lo demuestra su uso como medios activos de laseres de gas, en tratamiento de superficies mediante plasma en la industria de semiconductores, en química de plasmas, etc. Uno de los métodos más utilizados en la diagnosis de plasmas es el uso de sondas electrostáticas de Langmuir. La ventaja de estas sondas es que permite conocer de un modo sencillo y rápido parámetros locales del plasma como son la densidad y la temperatura, tanto de los electrones como de los iones positivos. Hasta hace poco tiempo el uso de las sondas de Langmuir ha estado restringido a plasmas de baja densidad y sin iones negativos. En la actualidad se ha incrementado la investigación en el campo del uso de sondas en plasmas que contienen iones negativos, si bien, todavía no hay métodos de diagnosis tan elaborados como los que existen para el caso de plasmas sin iones negativos. Recientemente las sondas de Langmuir han cobrado un nuevo interés ya que permiten conocer la función de distribución de energía de los electrones. El gran avance que ha sufrido la tecnología electrónica ha permitido que la función de distribución se pueda medir con suficiente precisión y rapidez. De este modo se entiende la aparición de un gran número de publicaciones sobre la medida de dicha función de distribución. El objetivo principal del presente trabajo de investigación ha sido la modelización y el análisis del uso de sondas en plasmas que contienen iones negativos. Primeramente se ha desarrollado un modelo analítico-numérico sobre la estructura de la vaina iónica de una sonda plana en plasmas con iones negativos. Por otro lado, en lo que se refiere al estudio experimental, se ha desarrollado un nuevo método para la medida de la función de distribución de energía electrónica mediante sondas de Langmuir. Por último, mediante el estudio experimental de un plasma con iones negativos, se establece el acuerdo entre las medidas experimentales y el modelo teórico desarrollado y se proponen métodos para la diagnosis de este tipo de plasmas. Tras esta primera sección de objetivos la presente memoria se divide en tres partes. En la primera parte se realiza una profunda revisión bibliográfica, tanto de los fundamentos teóricos de vainas iónicas para sondas planas como de la medida experimental de la función de distribución electrónica. En la segunda parte se desarrolla un modelo teórico sobre la vaina iónica de una sonda plana en plasmas con iones negativos. Una vez propuestas las ecuaciones que rigen la vaina se establece una nueva expresión para el criterio de Bohm. Resolviendo las ecuaciones se llega a una serie de resultados: distribuciones de potencial, campo eléctrico y de las densidades de carga en la vaina, espesor de la vaina y potencial flotante. Estos resultados serán la base para la diagnosis de los plasmas con iones negativos. La tercera parte se divide en dos capítulos: - En el primer capítulo se desarrolla la puesta a punto del sistema experimental utilizado en la investigación. Esta puesta a punto consiste en la implementación de un nuevo método para la medida de la función de distribución de energía electrónica. Este nuevo método se calibra para el caso de plasmas sin iones negativos comparando los resultados que se obtienen, a partir de dicha función de distribución, con otros métodos clásicos de diagnosis por medio de sondas. - Por último, en el segundo capítulo de la tercera parte se presentan y analizan los resultados de las medidas experimentales para el caso de plasmas con iones negativos. Estas medidas experimentales, se contrastan con el modelo teórico desarrollado aportando así un nuevo método para la diagnosis de plasmas con iones negativos.