Análisis teórico del contacto plasma superficie y sus aplicaciones industriales

Resumen

RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D./Dª Antonio Tejero Del Caz El resumen de la tesis para la base de datos Teseo debe ser una presentación de la tesis y tener la extensión suficiente para que quede explicado el argumento de la tesis doctoral. El formato debe facilitar la lectura y comprensión del texto a los usuarios que accedan a Teseo, debiendo diferenciarse las siguientes partes de la tesis: 1. introducción o motivación de la tesis Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial [2] y la orbital [1]; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada [3]. Este vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. 2.contenido de la investigación En primer lugar, se realizó una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. Lo cuál permitió establecer el estado del arte en cuanto al problema que vamos a abordar. Posteriormente, se desarrollaron dos simulaciones Particle-in-Cell (PIC) del contacto de una sonda de Langmuir con un plasma, paralelizadas mediante el uso de técnicas GPGPU, en concreto CUDA. Cada una de las simulaciones se corresponde con dos de las principales geometrías empleadas para las sondas de Langmuir, plana y cilíndrica. El desarrollo, depuración y optimización de dichas simulaciones constituyó la principal parte de la investigación, durante la cual se desarrolló un método novedoso de inyección de partículas en la simulación. Este método nos permitía eliminar la aparición de una “vaina de la fuente”, el cual es un efecto típico, y no deseable, en este tipo de simulaciones. Por último, la simulación de sonda cilíndrica se empleó extensivamente para estudiar la transición entre comportamiento radial y orbital, de los iones, que fue anteriormente mencionada. En este sentido, se pudo reproducir la citada transición, obteniendo los diferentes parámetros físicos de los que dependía. En concreto, se comprobó que la razón entre temperaturas iónica y electrónica era la responsable de la transición. Se ha empleado la simulación para estudiar la corriente recogida por una sonda cilíndrica variando diversos parámetros tanto de la sonda como del plasma: relación entre el radio de la sonda y la longitud de Debye, relación entre la temperatura de iones positivos y la electrónica, masa de los iones positivos, potencial de polarización de la sonda, etc. 3.conclusión Las conclusiones principales de este trabajo de investigación son: Se ha desarrollado una simulación del contacto plasma-superficie para un electrodo plano polarizado negativamente respecto del plasma. Para el caso de iones fríos, los resultados de la simulación con los que predicen los modelos clásicos de fluidos. Para el caso de una temperatura distinta de cero, se ha considerado en el contorno de la simulación un flujo de iones positivos con una velocidad de deriva adquirida desde el plasma imperturbado hasta la superficie de entrada de la simulación. La velocidad de deriva se ajusta para cumplir con la condición de contorno de campo eléctrico despreciable en la superficie de entrada de la simulación. Se ha desarrollado una simulación del contacto plasma-superficie para el caso de un electrodo cilíndrico polarizado negativamente respecto del plasma. El algoritmo de inyección de iones positivos en la superficie de entrada de la simulación se ha adaptado en este caso considerando la solución cuasineutra obtenida de una aproximación de fluidos para puntos lejanos del electrodo. La simulación para el electrodo cilíndrico ha permitido observar una transición de los modelos radiales a orbitales que coincide con los resultados que el grupo de investigación ha observado en el laboratorio para el caso de una sonda cilíndrica inmersa en un plasma de helio. Se ha demostrado que el parámetro que controla la transición desde modelos radiales a orbitales es la razón entra la temperatura de los iones positivos y la electrónica. Se ha demostrado que la razón entre el radio de la sonda y la longitud de Debye influye notablemente en la forma de la anteriormente mencionada transición. Produciéndose esta última solo para radios de sonda lo suficientemente pequeños comparados con la longitud de Debye. Para el caso de radios grandes, la corriente recogida por la sonda aumenta con la razón entre la temperatura de iones positivos y la electrónica, tal como predicen los modelos de fluidos radiales desarrollados por el grupo de investigación. Se ha demostrado que la transición de modelos radiales a orbitales es independiente de la masa de los iones positivos. Los anteriores resultados han sido publicados en una revista de alto índice de impacto del área [4].