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El ININ hoy
Aplicaciones de descagas de PLASMAS
Por Joel Pacheco Sotelo ([email protected])
Introducción
Este trabajo intenta proporcionar un escenario de algunas aplicaciones recientes de
las descargas de plasma. Existen aplicaciones tradicionales, muy bien establecidas y
consolidadas (grabado y limpieza por plasma, depósitos en películas delgadas, tratamiento de superficies, endurecimiento de
materiales); sin embargo recientemente los
plasmas han incursionado en campos tan
diversos y sorprendentes que sería difícil
realizar un compendio de los mismos, por
lo que sólo se tratarán algunas aplicaciones relativamente desconocidas pero que
tienen un elevado impacto a nivel de investigación y aplicación comercial.
El mecanismo de iniciación y sostenimiento de una descarga es por lo regular complicado. Brevemente podemos decir que se
logra con la aplicación de un campo eléctrico que excita las partículas, ionizando un
cierto porcentaje de portadores los cuales
transmitirán su energía en función de las
características particulares del proceso de
aplicación. Tanto las descargas eléctricas en
corriente continua (DC) como en alta frecuencia (RF), presentan una característica
particular del plasma, ya que su impedan4
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cia dinámica es negativa, lo que dificulta su
control y estabilidad. Sin embargo al superar este problema las ventajas son múltiples, ya que los volúmenes de plasma generados por corriente alterna son superiores y pueden adaptarse a varias morfologías
(en el caso de plasma DC normalmente es
una columna cilíndrica). Además los tiempos de permanencia de las partículas dentro del plasma resultan más prolongados, lo
que permite lograr aplicaciones muy importantes como en espectroscopía óptica, fuentes de iluminación, tratamiento de compuestos tóxicos y síntesis de nuevos materiales,
entre otras aplicaciones.
Hacia nuevas fuentes de iluminación
En su intento de reproducir artificialmente
la luz solar, el hombre recurre a dos alternativas para excitar la materia. La primera es
por incandescencia, es decir, la producción
de luz por calentamiento de un cuerpo,
método que es de bajo rendimiento. La segunda es por fosforescencia o fluorescencia, de alto rendimiento. Consiste en producir luz sin calentar los cuerpos mediante descargas que ionizan los gases aprovechando la movilidad de los electrones así como
la propiedad de lograr líneas espectrales
muy definidas en base a la selección apropiada del gas a ionizar.
K
En una lámpara convencional el filamento
se conecta a una corriente eléctrica y mientras no se funda, se logrará una emisión
luminosa estable. En el caso alternativo, se
aplica un campo eléctrico y el flujo de corriente se establece por la ionización de un
gas; en esta situación el aumento en el
número de electrones provoca un gran incremento en la conductividad del gas, el
cual deberá limitarse mediante un elemento
que controle eficazmente el flujo de corriente. Este elemento adicional es justamente
el convertidor resonante [1, 2] a alta frecuencia que permite una interacción energética óptima entre la red y la carga, además de facilitar la ionización para la utilización de diferentes tipos de lámparas de baja,
media o alta presión; de sodio, o de mercurio, con o sin electrodos.
Para tener una mejor idea del impacto de
esta última aplicación, basta decir que cada
día más de 7.5 billones de lámparas operan
en el mundo, consumiendo 1000 TWhr que
significa el 10% del total de energía eléctrica mundial. De esto se desprende la importancia de que ante tal consumo haya una
interacción óptima entre las fuentes de
excitación y la descarga de gases así como
un control adecuado de la repartición espectral y del rendimiento de la energía luminosa. La tendencia actual consiste entonces en desarrollar convertidores de iluminación alternativos a la lámpara convencional de filamento, cuyo rendimiento es
extremadamente pobre (sólo 5 al 10% de
la energía aplicada, se convierte en energía luminosa).
¿Lámparas inalámbricas?
El pionero de estos dispositivos fue Nikola
Tesla, quien en 1891 produjo una descarga
luminosa sin necesidad de electrodos, aplicando un campo de radiofrecuencia a una
cápsula de gas conteniendo mercurio. En
1907, P. C. Hewit registró la primera patente
retomando la idea de Tesla, la cual fue perfeccionada en 1936 por Bethenod y Claude
[3]. Pasaron varias décadas de investigación
hasta que los progresos en dispositivos electrónicos eficientes y la comprensión de procesos fundamentales en las descargas de
plasmas RF produjeron la primera lámpara
comercial sin electrodos. Los electrodos de
las lámparas convencionales limitan la vida
de la lámpara debido a la evaporación causada por el bombardeo iónico. La eliminación de electrodos abre grandes posibilidades ya que se incrementa la vida de operación hasta 5 veces (100,000 horas de operación) y la eficiencia y luminosidad espectral son ampliamente mejoradas. Permite
además configurar nuevas geometrías de
lámparas, y se incrementan los valores de
la presión y la composición de los gases.
Ante estas grandes ventajas existe el gran
inconveniente del costo inicial de la lámpara, el cual se estima podrá ser más competitivo con la miniaturización de sus componentes en los años venideros para así volverse más accesibles en aplicaciones domésticas e industriales [4].
¿Lámparas capacitivas?
Este tipo de lámparas funciona bajo el principio de descargas en barrera dieléctrica
(DBD), desarrollado originalmente por
Werner von Siemens en 1857 como un
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método para crear ozono. Está caracterizado por la presencia de uno o más
dieléctricos, dispuestos entre los electrodos
de tal manera que se producen
microdescargas multifilamentares en forma
aleatoria y con duración de algunos
nanosegundos [5]. Se requiere la aplicación
de un campo eléctrico alternativo de alta
frecuencia. Los canales de las
microdescargas colisionan con electrones
y los átomos de gases raros produciendo
especies excitadas que generalmente emiten radiación UV, la cual es convertida a
luz visible mediante un revestimiento de
fósforo. De los gases raros usados el xenón
ha confirmado ser el más eficaz. En 2002,
la compañía Osram produjo la primera lámpara capacitiva a base de Xe con una vida
promedio de 100,000 h, completamente plana y con espesor de 8.5mm (Ver Figura 1),
libre de mercurio o de cualquier otro gas
tóxico [6]. Actualmente hay muchos laboratorios que continúan investigando en
nuevos compuestos de revestimiento a
base de fósforo y nuevas técnicas de excitación de campo eléctrico para aumentar
su eficiencia lumínica, abatir los costos de
producción y dar origen a una fuente luminosa con las ventajas ya alcanzadas [7].
Figura 1. Lámpara capacitiva
cente basado en la emisión de electrones
de un material a base de nanoestructuras
de carbón (Ver Figura 2), con niveles de luminiscencia instantánea comparable a los
comerciales pero sin utilizar mercurio u algún otro material que requiere normalmente una etapa de calentamiento. El material
emisor es un catalizador de acero depositado en alambres de Kantal expuesto a una
descarga de plasma con gas acetileno, el
carbón sublimado y convertido en
nanoestructuras de 20nm de diámetro cubre el material resultando una película muy
eficiente para emitir electrones. La luminis-
Reencuentro con la lámpara de Edison
El desarrollo y síntesis de nuevos materiales nanoestructurados avanza silenciosamente hacia la posibilidad de desarrollar
una fuente de iluminación similar a la de
Edison, pero desde luego, con rendimientos energéticos elevados. Investigadores de
la Escuela Politécnica Federal de Lausanne,
Suiza [8], han construido un tubo luminis-
6
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Thomas A. Edison
(1)
cencia obtenida es de 10,000 cd/m2 la cual
puede aún mejorarse agregando una capa
de fósforo y sellando el dispositivo sin necesidad de hacer vacío [9].
Figura 2. Lámpara luminiscente a
base de nanoestructuras de carbón
Aplicaciones biomédicas ¿el fin del láser?
equilibrio térmico a temperaturas ambientales, la cual es utilizada para el tratamiento de tejidos vivos, esterilización, cavidades
dentales y el tratamiento de células cancerosas [9]. En contraste con los procedimientos tradicionales mecánicos, térmicos o por
Laser, esta nueva técnica no daña el tejido
sano ni provoca necrosis; pues se ha comprobado que a pesar de fragmentar la célula, el citoplasma no se libera y no se induce
una reacción inflamatoria en el tejido [10].
Otra posibilidad y de acuerdo a la potencia
de la micro-cámara es que puede ser utilizada también como herramienta de corte
para materiales dieléctricos, corte y/o extirpación de tejidos dañados, coagulaciones,
(2)
aptosis y en general microcirugía sin dañar tejidos cercanos. En estas aplicaciones
se favorece la coagulación usando plasma
de argón a frecuencias de 100 a 350 Khz,
con suministro del gas de 0.1 a 4 lt/min,
potencia de 40 a 100 W y campos eléctricos
de 500 a 5000 V/mm [11].
Figura 3. Microcámara para microcirugía
Un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Holanda, ha incursionado en aplicaciones
biomédicas desarrollando dispositivos y
micro-cámaras de radiofrecuencia a potencias menores de 1 W; (ver Figura 3), a la
que ocurren descargas de plasma fuera de
(1)
Cd = candela. La candela es la intensidad luminosa en una dirección determinada de una fuente que emite radiación monocromática de una
frecuencia de 540 x 1012 hertz y cuya intensidad
energética en esa dirección es de 1/683 watts por
esteroerradián. (Azorín, Juan.- (2004) El sistema
internacional de unidades, p. 18) N. del E.
(1)
Aptosis. Proceso especializado de muerte celular programada.
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%
Aplicaciones ambientales (no más
mercurio)
Las descargas de plasma en lámparas de
mercurio se han venido usando comercialmente a lo largo de los últimos diez años
para la purificación de agua, debido a la
acción germicida del mercurio en la banda
de 253.7nm. Recientemente se ha encontrado que las descargas DBD en molécu(3)
las de exímeros (Xe 2*, Kr2*, Ar2*, XeCl*,
KrCl*) aumentan la acción germicida hasta
un 25% [12] dado que la foto-emisión cubre un intervalo amplio de 80 a 350nm y
las microdescarga tipo multifilamentar ocurren estocásticamente con duración de vida
de solamente algunos nanosegundos. La
excitación de descargas por pulsos de corta duración en una lámpara de Xe 2*
(172nm) aumenta la eficiencia hasta por
un factor de tres con respecto a una excitación de corriente alterna. La emisión
pulsante de energía UV desactiva la resistencia de ciertos patógenos como
Cryptosporidium, Giardia, E. coli, Legionella,
Micobacterium, entre otras, pues rompe su
estructura ADN sin alterar otras propiedades como sabor y olor. Gracias a este proceso se puede purificar agua en unos cuantos segundos y con una energía varios miles de veces más reducida que la requerida para hervir el agua [13].
(3)
Exímero. palabra del idioma inglés, creada por
Stevens y Hutton en 1960 y que precede de
«excited dimer» y que significa un dimero excitado. Combinación de dos átomos, un átomo de
halógeno y un átomo de gas inerte unidos en
un estado excitado, altamente inestable y la descomposición de estas moléculas se acompaña
de la emisión de un fotón de alta energía de luz
ultravioleta.
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Vitrificación de residuos radiactivos
Esta no es una aplicación reciente, pero en
virtud de su gran impacto y la relación existente con nuestro campo de trabajo se describe brevemente aquí, considerándola
como una gran alternativa para permitir la
disposición final de desechos radiactivos de
nivel bajo e intermedio (DRNBI).
En la actualidad, las actividades científicas,
médicas e industriales, entre otras, generan una gran cantidad de DRNBI. Estas actividades se realizan en centros de investigación, instituciones educativas de nivel
superior, hospitales del sector público y privado, industrias y desarrollo de tecnología.
El tratamiento de estos residuos por
vitrificación mediante descargas de plasma,
ofrece múltiples ventajas, ya que en un solo
proceso se conjuntan una elevada densidad energética (10 5W/cm 3 ), una alta
entalpía para favorecer y acelerar reacciones cinéticas, una elevada reactividad quí(4)
mica, un rápido quenching (106K/s) [14]
y temperaturas elevadas (4,000 a 15,000 °K).
Con estas características se puede lograr
el tratamiento de prácticamente cualquier
material. Los reactores son compactos y trabajan a presión atmosférica o reducida, con
bajo costo de capital y una inercia térmica
reducida. Esta tecnología, además de tratar
los DRNBI, permite contenerlos en una matriz vítrea para su disposición final, con una
reducción de volumen considerable (Fig. 4).
(4)
Quenching. Proceso de regulación de temperatura (temple) en un material, con efectos en
distribución de tensiones, transformación de fases, dureza, etc.
Conclusiones
Figura 4. Vitrificación por alta frecuencia
El campo de aplicaciones de descargas en
gases se extiende día con día, gracias a sus
características favorables que se pueden
acoplar a un sinnúmero de procesos. A pesar de que es imposible aglutinar todos sus
campos de investigación en una sola institución, podemos afirmar que el ININ concentra las aplicaciones más diversas de las
descargas de plasma en el país y desarrolla
la mayoría de los proyectos aquí mencionados (y otros más mencionados en anteriores publicaciones), colocándose en un polo
de desarrollo en el campo de plasma y sus
aplicaciones.
Referencias
1.
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Contacto
Nuclear
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