25 Marzo 2015 Curso de Introducción a la Investigación IEM-CSIC

PLASMA : “Gas altamente ionizado con igual

número de cargas libres positivas y negativas”.

PLASMA GAS

Energia, Temperatura

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

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Movimiento Individual

Comportamiento Colectivo

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PLASMA:

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

• El más energético

• El último “comprendido” por el ser humano

“Cuarto Estado (de agregación) de la materia”.

¿ El cuarto estado o el primero ?

13.7 billions years

DENSE PLASMA: “Dark Ages”

3th Generation of Stars Molecules, Planets, Life

Fusion in Stars New Elements

BIG BANG

109

3000

15

2.7

T (K)

1016

1028

1032

Cosmic MW Background LIGHT

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CLASES DE PLASMAS

1. PLASMAS en “Equilibrio Térmico” Tglobal > 3000 K

¡ SISTEMAS MUY ALEJADOS DEL EQUILIBRIO !

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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

La característica más llamativa de TODO PLASMA

es que BRILLA CON LUZ PROPIA!

(llamas, rayos, auroras, estrellas…)

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Podemos observarlos incluso a grandes distancias

y estudiarlos analizando su luz por

TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS.

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10-2

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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

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COLD

PLASMAS

• PLASMAS FRIOS: suelen ser generados con descargas eléctricas a 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 ceden poca energía por choques elásticos a las partículas más pesadas ( Tgas baja).

+ _

1 mbar Air DC discharge

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• Al contrario que los gases, son BUENOS CONDUCTORES.

• 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

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! Gran número de especies y procesos implicados !

¡ Numerosas líneas de Investigación Básica y

Aplicaciones Tecnológicas !

¡ SISTEMAS MUY REACTIVOS A BAJA TEMPERATURA!

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ALMA (Atacama Large Mm/sub-mm Array) Desierto de Atacama, Chile, 5057 m altitud

Estudios de Interés Astrofísico

Generación de especies excitadas, iones, radicales…

para su caracterización espectroscópica.

200 especies moleculares detectadas hasta ahora en el espacio,

algunas muy exóticas para los patrones terrestres

H3+ en Júpiter (1990) y en el

espacio (1996) tras su estudio espectroscópico en laboratorio

(1980)

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Laboratorio Láser IR, IEM-CSIC

NH3D+ , ArH+, ClH+

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Descubrimiento de NH3D+ en Orión

This work

Generación de especies sólidas ricas en carbono

para simular la formación de polvo interestelar.

Las nubes de polvo colapsan por su propia gravedad

dando origen a nuevas estrellas.

Enormes nubes de gas y polvo en la Nebulosa del Águila,

a 7.000 años luz de la Tierra.

Plasma de CH4+He en descarga de RF (IEM-CSIC) para generar depósitos de a-C:H.

Comparación con espectro IR de polvo interestelar.

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Cambios drásticos en superficies de materiales

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

Tratamientos aplicables a materiales que no soportan altas temperaturas.

¡ Notable mejora de las propiedades de muy diversos productos !

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Tejidos tratados con plasma, que repelen la humedad

y las grasas Microcristales de diamante producidos por plasma de CO-CH4 para cubrir herramientas de corte

Prótesis metálica de rodilla cubierta de

material biocompatible

Recubrimientos ópticos

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Ventanas de observación recubiertas paulatinamente con material metálico de las paredes del reactor. Reactor de plasma

Recubrimientos producidos en IEM-CSIC

Muestra depositada con plasma de CH4 + He en descarga de RF.

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Microelectrónica y Nanotecnología

Cámara de “sputtering” (erosión) por plasma.

Magnetrón (plasma confinado magnéticamente)

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“Joint European Torus” (J.E.T)

Comportamiento de Materiales

en contacto con el plasma en Reactores

de Fusión por Confinamiento Magnético

Reacción nuclear más favorable en Reactores de Fusión.

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Esterilización por plasma

Esterilización de materiales orgánicos que no soportan altas temperaturas:

Instrumentación médica, envases de alimentos… Doble acción bactericida: • Radiación ultravioleta. • Radicales fuertemente oxidantes.

Catéteres para diálisis y tubos de ensayo

de materiales plásticos

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Motores Iónicos para Propulsión Espacial

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

Combustible total = 82 kg

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¡ Muchas Gracias !