1 / 45

Física de Plasmas en contacto con Materiales : El Sheath

Física de Plasmas en contacto con Materiales : El Sheath. Alberto Loarte European Fusion Development Agreement Close Support Unit - Garching. - + - + - + - + -. Establecimiento del Sheath. Tema 2 : Sheath (I). Plasma en contacto con s ólidos  formaci ó n del sheath.

rowan-holden
Télécharger la présentation

Física de Plasmas en contacto con Materiales : El Sheath

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Física de Plasmas en contacto con Materiales : El Sheath Alberto Loarte European Fusion Development Agreement Close Support Unit - Garching Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 1

  2. -+ -+ -+ -+ - Establecimiento del Sheath Tema 2 : Sheath (I) Plasma en contacto con sólidos  formación del sheath Flujos al contacto entre plasma y sólido : Ge = ne ve & Gi = ni vi Ge/Gi = ve/vi = (mi/me)1/2 ~ 60 Plasma ne = ni Flujos estacionarios de plasma a sólido Ge = Gi Sheath reduce el flujo de electrones Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 2

  3. Tema 2 : Sheath (II) • Plasma en contacto con un material : Sheath y Pre-sheath • Los plasmas tienden a apantallar los campos eléctricos (redistribución de la carga electrónica) • El campo eléctrico se concentra en una zona cercana al material : Sheath • El campo eléctrico lejos del material es bajo pero no nulo : Pre-sheath y contribuye a acelerar a iones y decelerar electrones + + + + + - - - - - + + Pre-sheath Sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 3

  4. n nse ne,W densidad electrónica x Tema 2 : Sheath (III) Dinámica de electrones en el pre-sheath  Distribución de los electrones en el plasma Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 4

  5. Tema 2 : Sheath (IV) Distribución de los electrones en el plasma : relación de Boltzmann Ecuación de continuidad : Ecuación de conservación del momento : pe= ne Te T en unidades de energía (kb = 1) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 5

  6. Tema 2 : Sheath (V) E obliga a los electrones a adaptarse al movimiento de los iones Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 6

  7. Tema 2 : Sheath (VI) Términos dominantes en la ecuación de conservación del momento Plasmas son buenos conductores de calor y electricidad (plasma isotermo) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 7

  8. n nse ne,W densidad electrónica x Tema 2 : Sheath (VII) Relación de Boltzmann x=0 x Relación de Boltzmann Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 8

  9. Tema 2 : Sheath (VIII) Dinámica de iones en el pre-sheath  Criterio de Bohm x=0 Conservación de la energía (iones monoenergéticos  Ti = 0): vi,o &V0 ~ 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 9

  10. Tema 2 : Sheath (IX) Ecuación de continuidad : + Pre-sheath transparente a átomos reciclados  no hay ionización  no hay fuente de iones  Si = 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 10

  11. Tema 2 : Sheath (X) ni depende de (V(x))1/2 y ne depende de eV(x) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 11

  12. Tema 2 : Sheath (XI) Campo eléctrico en el Sheath y pre-sheath y Criterio de Bohm En el sheath ne << ni Campo E de gran intensidad Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 12

  13. x=xw x=xse x=0 Pre-sheath Sheath Tema 2 : Sheath (XII) Campo eléctrico en el Sheath y pre-sheath Ecuación de Poisson : en el plasma : Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 13

  14. x=xw x=xse x=0 Pre-sheath Sheath Tema 2 : Sheath (XIII) x1=xse, x2 =x > xse Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 14

  15. Tema 2 : Sheath (XIV) Multiplicando por dV/dx a ambos lados de la ecuación Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 15

  16. Tema 2 : Sheath (XV) C se obtiene de considerar que le plasma es cuasineutro para x < xse  ne(x) = ni(x) para x<xse dE/dx~ 0 para x<xse & E(x=0) =0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 16

  17. Tema 2 : Sheath (XVI) La ecuación se lineariza en torno a x ~ xse Se considera un rango de x tal que : Solución física de V(x) satisface ambas condiciones (justificación más tarde) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 17

  18. Tema 2 : Sheath (XVII) La ecuación linearizada es : Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 18

  19. Tema 2 : Sheath (XVIII) Solución física estacionaria Criterio de Bohm iones supersónicos a la entrada del sheath Velocidad del sonido Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 19

  20. Tema 2 : Sheath (XIX) Potencial y velocidad iónica en el pre-sheath y Sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 20

  21. 2ci 1/(2ci) vse v Tema 2 : Sheath (XX) Sheath con Criterio de Bohm generalizado fionse (v) = d (v-v0se)  v0se > (Te/mi)1/2 fionse (v) vse > ci = (3Ti/mi)1/2 (sheath acelera iones) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 21

  22. 2ci 1/(2ci) vse v Tema 2 : Sheath (XXI) ci = (3Ti/mi)1/2 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 22

  23. Tema 2 : Sheath (XXII) fe,i(v) con g = 1 (flujo isotérmico),g = 5/3 (flujo adiabático con presión isotrópica) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 23

  24. Tema 2 : Sheath (XXIII) Propiedades del Sheath : Extensión espacial Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 24

  25. Tema 2 : Sheath (XXIV) Propiedades del Sheath : Caida de Potencial en el Sheath Ec. continuidad Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 25

  26. Tema 2 : Sheath (XXV) Flujos de electrones sobre material si los electrones son Maxwellianos integrando para vx > 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 26

  27. Tema 2 : Sheath (XXVI) Relación entre nepared y nse Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 27

  28. Tema 2 : Sheath (XXVII) como Cuasi-neutralidad del plasma a la entrada del sheath  nise=nese Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 28

  29. Tema 2 : Sheath (XXVIII) Sheath con emisión de electrones secundarios de = coeficiente de emisión de electrones secundarios |Vw-Vse| disminuye con de porque el plasma pierde netamente menos electrones Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 29

  30. Tema 2 : Sheath (XXIX) Densidad del plasma a la entrada del Sheath Voltaje del pre-sheath Relación de Boltzmann La presencia de un sheath disminuye la densidad del plasma en su proximidad Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 30

  31. Tema 2 : Sheath (XXX) Estimación del campo eléctrico en el sheath y pre-sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 31

  32. Tema 2 : Sheath (XXXI) 1a consecuencia del Sheath  cuasineutralidad del plasma Los plasmas son siempre cuasineutros  ne = ni Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 32

  33. Tema 2 : Sheath (XXXII) Consecuencias del Sheath  transmisión de energía a traves del Sheath Factor transmisión del sheath para iones : energía que pierde el plasma por ión Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 33

  34. Tema 2 : Sheath (XXXIII) electrones secundarios Factor transmisión del sheath para electrones : energía que pierde el plasma por electrón Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 34

  35. Tema 2 : Sheath (XXXIV) Consecuencias del Sheath  Ti > Te en el presheath JT-60U Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 35

  36. Tema 2 : Sheath (XXXV) Consecuencias del Sheath  cambios en flujos de energía respecto a un gas El sheath disminuye ~ 10 veces las pérdidas de energía del plasma (a traves de los electrones) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 36

  37. Tema 2 : Sheath (XXXVI) Consecuencias del Sheath  Energía de iones/electrones sobre sólido El sheath aumenta la energía de los iones y con ellos el sputtering físico (en particular cerca del umbral) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 37

  38. Tema 2 : Sheath (XXXVII) Sheath con campo magnético oblícuo El campo magnético hace que iones y electrones lleguen al material siguiendo órbitas de Larmor  importante si B | material Iones electrones aparece el pre-sheath magnético (MPS) (~ ri) además del Debye sheath (DBS) (~ lD) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 38

  39. Tema 2 : Sheath (XXXVIII) Propiedades del sheath con campo magnético oblícuo Los electrones no se desvían de II B en el MPS Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 39

  40. Tema 2 : Sheath (XXXIX) El DBS se establece para que el plasma no pierda carga neta La caida de potencial en el sheath electrostático depende de y La caida de potencial en el pre-sheath magnético de y Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 40

  41. Tema 2 : Sheath (XXXX) cosY cambia el balance entre sheath magnético y eléctrico pero no el cambio de Vw-Vse total Dimensiones del pre-sheath magnético en MPS Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 41

  42. Tema 2 : Sheath (XXXXI) Aplicaciones del Sheath  Sondas de Langmuir La sonda de Langmuir es un diagnóstico que permite medir densidad y temperatura del plasma por medio de un electrodo en contacto con el plasma  flujo de corriente eléctrica localizada • Variando V se modifica la corriente eléctrica (flujo de iones y electrones que llega a la sonda) • j(V) (característica) depende de la densidad y temperatura del plasma Plasma DV j(V) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 42

  43. Tema 2 : Sheath (XXXXII) El flujo de iones a la sonda está determinado por el sheath E > 0 El flujo de electrones depende de V DV je= ji V = Vw Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 43

  44. Tema 2 : Sheath (XXXXIII) En general el flujo neto de corriente electrónica la sonda es : Del ajuste de je(V) se puede deduce Te y nse (si Te=Ti) = todos los electrones llegan a la sonda  flujo Maxwelliano Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 44

  45. Conclusiones • La existencia del sheath determina las condiciones de contorno de un plasma en contacto con un medio material  campo del pre- sheath y criterio de Bohm • El sheath hace que el plasma sea cuasineutro y que el campo eléctrico este confinado principalmente cerca del material • El sheath reduce el flujo de energía que el plasma pierde (electrones) pero aumenta la energía de los iones incidentes sobre el material (sputtering) • El ángulo entre el campo magnético y el material introduce el pre- seahth magnético pero no afecta al cambio global de magnitudes (MPS+DBS) entre el pre-sheath y el material • La sonda de Langmuir es un diagnóstico que permite medir densidad y temperatura del plasma por medio de un electrodo en contacto con el plasma que se basa en la existencia del sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 45

More Related