LA SCARICA ELETTRICA NEI GAS
Il plasma in laboratorio o per scopi industriali
viene prodotto tramite scariche elettriche nei gas.
Il gas all’interno della scarica
è nello stato ionizzato (parziale
o completa ionizzazione) cioè è
allo stato di plasma.
J
Questo capitolo riguarda la descrizione della scarica elettrica
e le diverse forme che la caratterizzano.
B
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LA SCARICA ELETTRICA NEI GAS
Le caratteristiche che rendono le scariche nei gas
ed il plasma da esse prodotto, utilizzabili per
applicazioni industriali sono le seguenti:
• Energia: il plasma è caratterizzato da un ampio range di
densità di potenza ed energia [plasmi termici in archi in CC o
plasmi in PETL in CC o RF (scarica a corona, ad bagliore, ad
arco) con densità di potenza 10-3-104 W/cm3].
• Specie attive: il plasma produce specie attive in numero
elevato, di molteplici tipi, di energie superiori a quelle prodotte
in reattori chimici convenzionali (scarica a corona [corona
discharge] o a bagliore [glow discharge] e ad arco [contratta]).
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APPLICAZIONI INDUSTRIALI
DEL PLASMA
Caratteristiche e Processi Tecnologici:
Processi ad elevate densità di potenza:
•
•
•
•
fusione od evaporazione di materiali solidi
saldatura
forni ad arco
lavorazione ad elevate temperature di materiali
Processi ad elevato numero di specie attive, di
molteplici tipi e di elevate energie:
•
•
trattamento superficiale dei materiali
chimica del plasma
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Regimi di Scarica
Scarica nera
- Regione A-E, prima della transizione per
break-down da D/E a F’/F.
Scarica a corona
- Regione D-E, caratterizzata da luminescenza attorno all’elettrodo con correnti ed
energie molto basse (I ≈ 10 −7−10−5 Α, Π ≈
10 −4−10 −2 Ω).
Scarica a bagliore (glow
discharge)
- Regione E-H, luminescenza diffusa
nella regione interelettrodica con correnti ed energie basse (I ≈ 10−5−1 Α,
Π ≈ 10 −2−1 Ω).
Scarica ad arco
- Regione H-K per lo più contratta e
di intensa luminosità fra gli elettrodi,alte energie (I > 1 Α).
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Scarica Nera
La scarica nera n on è sufficientemente luminosa(tranne che la scarica a corona) d a p oter essere vista. La d ensità d i specie eccitate è ridotta e le radiazioni emesse n on sono visibili.
In base alla corrente di s ca-­‐‑
rica s i individuano cinque regimi c aratterizzati da differenti fenomenologie :
•
•
•
•
•
Ionizzazione d i background
Regione d i saturazione:
Scarica Townsend:
Scarica a corona
Break-­‐‑d own
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Scarica Nera
Ionizzazione di background
Gli elettroni e gli i oni prodotti dalla r a-­‐‑
diazione di background (cosmica, r adio-­‐‑
attiva ecc.) sono trascinati dal campo elet-­‐‑
trico producendo i n tal modo una debole corrente.
Regione di saturazione
Aumentando la tensione tutti gli elettroni e gli i oni disponibili sono trascinati dal campo portando a saturazione della corrente (V cresce, I = IS costante)
IS = S d e (dn/dt)Sorg [A]
JS = IS/S = d e (dn/dt)Sorg [A/m2]
S sezione della scarica, d sua lunghezza, e
unità di carica e (dn/dt)Sorg sorgente di cariche per r adiazione di background.
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Scarica Nera
Scarica Townsend
Il r egime Townsend è caratteristico della regione C-­‐‑E. A l crescere di V compare un’ul-­‐‑
teriore causa di i onizzazione dovuta all’im-­‐‑
patto di elettroni energetici, accelerati del campo, con i neutri. La sorgente di carica corrispondente è data da:
(dn/dt)ion = ne nn <Qi en v e> [elettr. /(m3s)]
L’elettrone alla ionizzazione per i mpatto è a sua v olta accelerato sufficientemente da pro-­‐‑
durre un altro urto i onizzante prima di giun-­‐‑
gere all’anodo. Ha i nizio così un processo a catena o processo a valanga (avalanche).
Il coefficiente d i prima ionizzazione d i Town-­‐‑
send α è il numero medio di collisioni i oniz-­‐‑
zanti subite da un elettrone nel percorso di un metro lungo l’asse della scarica.
Scarica Townsend
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Scarica Nera
Il coefficiente d i prima ionizzazione d i Townsend α è dato da:
α ~ 1/λi = ν i εn /<v e> = n0 <Qi en v e> /<v e>
dove λi è i l cammino libero medio elettronico per urto i onizzante, ν i εn la f requenza di urti ionizzanti subiti da un elettrone, <v e> è la velocità elettronica media.
La densità di f lusso elettronico i n un i nter-­‐‑
vallo dx subisce quindi un i ncremento dato da dΓe = α Γe dx Γe = Γe0 eα x [elettroni /(m2s)]
Il f lusso di elettroni dal catodo, i nizialmente pari a Γe0 per emissione catodica, è i ncre-­‐‑
mentato esponenzialmente lungo l’asse della scarica dal processo a v alanga. Densità di corrente e corrente elettrica divengono:
Je = e Γe = e Γe0 e αx [A /m2]
Ie = S e Γe = S e Γe0 eα x [A]
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Scarica Nera
Scarica Townsend
Perciò l’effetto a v alanga dipende da α , coefficiente d i prima ionizzazione d i scarica Townsend :
Costanti empiriche A e C per l’espressione di α in alcuni gas con
validità: C/2 < E/p < 3C
Γe = Γe0 eα x [elettroni /(m2s)]
Je = e Γe = e Γe0 eα x [A /m2]
Ie = S e Γe = S e Γe0 eα x [A]
Il r apporto α /p dipende dal rapporto E/p:
⎛ E⎞
α
= f⎜ ⎟
p
⎝ p⎠
⎡⎣ Ionizzazioni/(m Torr) ⎤⎦
Un’espressione molto usata, utilizzata con le costanti empiriche A e C (vedi tabella) è:
α
p
⎛ C ⎞
⎟⎟ [Ionizzazioni/(m Torr)]
= A exp⎜⎜ −
⎝ E p⎠
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Scarica a Corona
La scarica a corona (scarica unipolare) è una scarica Townsend in r egioni ad elevato campo elettrico, v icino a con-­‐‑
duttori appuntiti, spigoli o cavi, prima di giungere al punto di break-­‐‑down. In tali r egioni la scarica è luminescente.
All’aumentare del campo elettrico medio al di sopra di quello di break-­‐‑
down (V/d)B si ha la transizione da scarica a corona alla scarica a bagliore con correnti più elevate (I > 10-­‐‑5 A) ed a tensioni i nferiori.
La polarità del corpo luminescente della scarica a corona può essere negativa o positiva e la corrente trasportata da i oni positivi o negativi. La scarica a corona si manifesta in r egioni con configurazioni acuminate che determinano concentrazioni del campo elettrico localmente superiore al campo di break-­‐‑down.
Le applicazioni i ndustriali sono molte: precipitatori elettrostatici, xerografia, permeabilizzazione/impermeabilizzazione, neutralizzazione di carica superficiale, applicazioni antistatiche, chimica del plasma, ecc.
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Break-Down e Curva di Paschen
Break-Down - Transizione fra condizione di
scarica a corona, a scarica a bagliore con correnti più elevate (10 -4 – 1 A) e tensioni inferiori.
Durante il break-down si ha un intenso effetto
a valanga elettronico. Inoltre gli ioni che raggiungono il catodo hanno energia sufficiente
per generare per urto elettroni secondari.
- d distanza interelettrodica
- p pressione
- VB tensione di break-down (iniziazione
della scarica con elettroni secondari ed
intenso effetto a valanga)
- VBMin tensione di break-down minima al
variare del prodotto pd, cioè per (pd)Min
VB
=
VBMin
pd
(pd) Min
⎡ pd ⎤
1 + ln ⎢
⎥
⎣ (pd) Min ⎦
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Scarica a Bagliore (Glow Discharge)
Scarica a bagliore normale
(J = cost.)
Regione F’, F-­‐‑G: La corrente aumenta poiché la r egione calda del catodo che emette elettroni, cresce. A ll’aumentare della corrente si ha una r idota crescita della densità di corrente e della tensione. Il corpo della scarica appare luminoso.
Scarica a bagliore
anormale (J ≠ cost.)
Regione G-­‐‑H: Corrente, densità di cor-­‐‑
rente e tensione crescono e la lumino-­‐‑
sità aumenta. Al punto H i l catodo divie-­‐‑
ne sufficientemente caldo da emettere elettroni i n modo termoionico e f ar transire la scarica al regime di arco elettrico. 12
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Scarica a Bagliore Normale
Nella scarica a bagliore normale ope-­‐‑
rante in corrente continua a pressioni moderatamente basse (p ∼ 1 Torr) si osservano diverse zone.
Regione catodica: In essa si concentra la caduta di tensione, d c = (pd)Min /p.
Catodo: Conduttore che emette elettroni, solitamente freddo (effetto termoionico assente). Guaina nera di Aston: elevati valori del campo elettrico e della carica spaziale (ρC) negativa con elettroni i n accelerazione, ancora poco energetici per eccitare i neutri. Bagliore catodico: emissione da parte di particelle rilasciate dal catodo o dagli ioni r ichiamati v erso i l catodo.
Strato nero catodico: campo E moderato, ρC positivo, ni elevato. 13
Scarica a Bagliore Normale
Colonna negativa a bagliore: Elevata intensità luminosa (la più alta della scarica), basso E, gli elettroni accelerati dal campo divengono molto energetici, eccitano e conducono, ne ∼ 1016 m-­‐‑3.
Strato nero di Faraday: Gli elettroni sono hanno perso energia ceduta negli urti non elastici, ρC ed E bassi.
Colonna positiva: (finalmente il plasma elettricamente neutro), ρC = 0, E ∼ 1 V/cm, ne ∼ 1016 m-­‐‑3, Te ∼ 1-­‐‑2 eV.
Guaina nera anodica: ρC negativa e campo E maggiore che nella colonna positiva. L’anodo r ichiama gli elettroni dalla colonna positiva.
Se la lunghezza d ella scarica cresce d C
rimane invariata e la lunghezza d ella colonna positiva cresce.
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Scarica a Bagliore Ostruita
Qualora la lunghezza della scarica sia inferiore di dc,Min = ( pd) Min /p , la scarica a bagliore opera nelle condizione di scarica a bagliore ostruita.
Scarica a bagliore ostruita
la lunghezza della regione catodica è minore dalla distanza minima di Paschen
per un determinato gas alla pressione considerata [d c < (pd)Min /p]. L’elevato potenziale nella regione catodica r isulta utile se si r ichiedano i oni di elevata energia che collidano con la superficie catodica.
Scarica a bagliore non ostruita
la lunghezza della regione catodica d c è data dalla distanza minima di Paschen per un determinato gas alla pressione considerata [d c = (pd)Min /p].
Scarica a bagliore in corrente
continua ostruita anormale
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Scarica a Bagliore
Reattori ad elettrodi piani
paralleli
-­‐‑ Pressioni: 10-­‐‑6 – 760 Torr
-­‐‑ Alimentazione CC ed RF
Reattori a cavità alimentate
a RF
-­‐‑ Cavità risonanti: R ≈ d ≈ λ0 (λ0 lun-­‐‑
ghezza d’onda delle RF);
-­‐‑ Cavità non risonanti a multimodo: R >> λ0, d >> λ0;
-­‐‑ Pressioni basse: p ≈ 10 torr.
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Reattori per processo continuo
Processo continuo in scarica
a bagliore a bassa pressione
Processo continuo in scarica a
bagliore a pressione atmosferica
Scariche magnetizzate
L’alimentazione CC ed RF o combinate il
plasma, ed il suo effetto sul materiale da
trattare, è reso maggiormen-te uniforme
dalla direzione della velocità di deriva E/B.
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Scarica ad Arco
Se l a corrente cresce al di sopra del punto H l a scarica transisce alla scarica ad arco
Nell’arco si individuano tre regioni:
-­‐‑ Regioni elettrodiche con contrazioni più pronunciate principalmente al catodo
ove si concentra anche la maggiore caduta di tensione
-­‐‑ Colonna positiva (plasma)
Cadute elettrodiche:
VC caduta di tensione catodica e VA caduta di tensione anodica. Solitamente VC > VA
VA
VC
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La Scarica ad Arco
Arco elettrico
non-termico
(PELT e Tg < Te )
Arco elettrico
termico
(ETL e Tg = Te )
Scariche ad arco non-termico
- Regime termodinamico: PETL
- Tg < Te
J⋅E = 3
(
)
me
k Te -Tg neν eH + R
mH
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La Scarica ad Arco
Arco elettrico termico
Le scariche ad alta pressione (p ≥ 1 bar) tendono all’arco termico con una notevole contrazione ed ETL (Tg = Te).
B 02
+ p0
2µ 0
B2
2µ 0
T
p
p 0 ,T0
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