Publication: Diagnostics and modeling of cold plasmas with high hydrogen content
Loading...
Files
Official URL
Full text at PDC
Publication Date
2017-08-02
Authors
Advisors (or tutors)
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidad Complutense de Madrid
Citations
Exportar
Abstract
The study of cold plasmas with high hydrogen content is relevant in a wide variety of fields. The characterization of the different species in these plasmas and their interaction with surfaces has technological applications, such as thin film growth and materials processing. The ions present in this type of plasmas play an important role in molecule formation in the interstellar medium. In this work, a study of the neutral and ionic species present in plasmas of H2 + Ar,H2 + N2, and H2 + O2 generated in hollow cathode discharges is presented. Experimentaldiagnostics in combination with kinetic modeling have been employed in order to determine the main processes behind the physics and chemistry of each of the different mixtures. The hollow cathode reactor used in the experiments consists of a grounded stainless steel cylinder with a central anode. A voltage of hundreds of volts is applied to the anode, generating a current of tenths of an ampere. A steady flow of mixtures of H2 + Ar, H2 + N2,and H2 + O2 with different mixture ratios at low pressures (~ Pa) is employed as precursor. The neutral species in the plasma are analyzed with a quadrupole mass spectrometer, while positive ions are sampled using a plasma monitor that allows themeasurement of their energy distributions. The electron temperature and density of theplasma are determined using a double Langmuir probe. Vibrational and rotational gas temperatures are obtained by optical emission spectroscopy. A kinetic model accounting for the main physico-chemical processes occurring in the discharge is employed in order to simulate the abundances of the different species. Thecomparison with the experimental results allows the determination of the fundamental mechanisms behind the chemistry of the different mixtures. The main processes considered are electron impact dissociation and ionization, ion-molecule reactions, and heterogeneous reactions occurring at the reactor walls...
El estudio de los plasmas fríos con alto contenido en hidrógeno tiene interés en una gran variedad de campos. La caracterización de las especies en estos plasmas y su interacción con las superficies tiene aplicaciones tecnológicas, como el crecimiento de láminas delgadas y el procesado de materiales. Los iones que se pueden observar en este tipo de plasmas tienen un papel importante en la formación de moléculas en el medio interestelar. En este trabajo se presenta un estudio de las especies neutras e iónicas presentes en los plasmas de H2 + Ar, H2 + N2, y Hi + 02 generados en descargas de cátodo hueco, basado en el diagnóstico experimental y el modelado cinético, con el objetivo de determinar los principales procesos físico-químicos de cada una de las mezclas. El reactor de cátodo hueco empleado en los experimentos consiste en un cilindro de acero inoxidable conectado a tierra, con un ánodo central sometido a una tensión de cientos de voltios, donde se genera una corriente de décimas de amperio. Para generar el plasma se emplean mezclas de H2 + Ar, Hz+ N2, y Hz+ 02 en diferentes proporciones, a baja presión ( ~ Pa), en flujo continuo de gas. Las especies neutras del plasma se analizan mediante un espectrómetro de masas cuadrupolar, mientras que los iones positivos se muestrean mediante un monitor de plasmas que permite analizar sus distribuciones de energía. La temperatura y densidad electrónica del plasma se determinan usando una sonda de Langmuir doble. Las temperaturas vibracional y rotacional se obtienen mediante espectroscopía visible de emisión. Con el objetivo de reproducir las abundancias de las diferentes especies determinadas experimentalmente en cada tipo de mezcla y determinar los mecanismos que gobiernan la cinética del plasma, se emplea un modelo cinético que tiene en cuenta los principales procesos físicoquímicos que tienen lugar en la descarga. Entre ellos, los más relevantes son las reacciones de ionización y disociación por impacto electrónico y las reacciones ion-molécula, que tienen lugar en fase gas, y los procesos heterogéneos que ocurren en las paredes de la cámara...
El estudio de los plasmas fríos con alto contenido en hidrógeno tiene interés en una gran variedad de campos. La caracterización de las especies en estos plasmas y su interacción con las superficies tiene aplicaciones tecnológicas, como el crecimiento de láminas delgadas y el procesado de materiales. Los iones que se pueden observar en este tipo de plasmas tienen un papel importante en la formación de moléculas en el medio interestelar. En este trabajo se presenta un estudio de las especies neutras e iónicas presentes en los plasmas de H2 + Ar, H2 + N2, y Hi + 02 generados en descargas de cátodo hueco, basado en el diagnóstico experimental y el modelado cinético, con el objetivo de determinar los principales procesos físico-químicos de cada una de las mezclas. El reactor de cátodo hueco empleado en los experimentos consiste en un cilindro de acero inoxidable conectado a tierra, con un ánodo central sometido a una tensión de cientos de voltios, donde se genera una corriente de décimas de amperio. Para generar el plasma se emplean mezclas de H2 + Ar, Hz+ N2, y Hz+ 02 en diferentes proporciones, a baja presión ( ~ Pa), en flujo continuo de gas. Las especies neutras del plasma se analizan mediante un espectrómetro de masas cuadrupolar, mientras que los iones positivos se muestrean mediante un monitor de plasmas que permite analizar sus distribuciones de energía. La temperatura y densidad electrónica del plasma se determinan usando una sonda de Langmuir doble. Las temperaturas vibracional y rotacional se obtienen mediante espectroscopía visible de emisión. Con el objetivo de reproducir las abundancias de las diferentes especies determinadas experimentalmente en cada tipo de mezcla y determinar los mecanismos que gobiernan la cinética del plasma, se emplea un modelo cinético que tiene en cuenta los principales procesos físicoquímicos que tienen lugar en la descarga. Entre ellos, los más relevantes son las reacciones de ionización y disociación por impacto electrónico y las reacciones ion-molécula, que tienen lugar en fase gas, y los procesos heterogéneos que ocurren en las paredes de la cámara...
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, leída el 15/11/2016