Este trabalho dedicou-se ao estudo e à compreensão dos processos de formação e manutenção de microplasmas, em especial as microdescargas em corrente contínua operando no regime luminescente. A microdescarga luminescente é uma extensão da já bastante conhecida descarga luminescente. As nossas pesquisas ficaram concentradas nas microdescargas luminescentes estáveis, em estado de não-equilíbrio térmico. Elas são baseadas principalmente no chamado efeito de catodo oco, sendo mantidas confinadas em cavidades ou aberturas cilíndricas, com diâmetros variando de 150 a 1000m. Dispositivos de descargas elétricas brilhantes em formato de microestrias associadas em paralelo, com espessura da ordem de 50m, também foram desenvolvidas neste trabalho e implemetadas em pressões elevadas, juntamente com as descargas de camada de contorno catódica. Baseado também no efeito de catodo oco, microtubos de aço com diâmetro interno variando de 150 a 800mm foram usados para operarem como catodos microtubulares, com o objetivo principal de obter-se um microjato de plasma de argônio e oxigênio, este para fins de corrosão (etching), sustentados em ar atmosférico.Foram levantadas curvas características de tensão-corrente e curvas de Paschen, para os mais diversos tipos de microdescargas, com o intuito de se estudar as regiões de operação dessas descargas e observar a eficiência de ionização nas descargas geradas sob o efeito de catodo oco. Experimentos foram implementados no sentido de observar-se o efeito quântico de emissão de elétrons a frio, em microcatodos ocos e planos, pela ação de um intenso campo elétrico aplicado no catodo (electron field emission). Fêz-se uma descrição analítica da descarga de microcatodo oco cilíndrico com o objetivo de estimar a distribuição da taxa de produção de íons e a densidade de íons. Esta oscilou entre 1013 e 1015cm-3, para uma pressão variando de 10 a 760Torr, em descargas brilhantes de microcatodo oco concentradas num microfuro com diâmetro de 200m. Através de uma simulação numérica pôde-se visualizar alguns parâmetros do plasma, como densidade de elétrons, energia média dos elétrons, intensidade de radiação, entre outros. As descargas elétricas do tipo corona também foram estudadas. Este tipo de descarga foi gerada em corrente alternada em alta tensão. Foram realizadas algumas investigações espectrais, através da espectroscopia de emissão, para atribuição das mais diversas linhas assim como dos estados excitados/iônicos presentes no plasma, nas microdescargas em argônio.

As pesquisas e aplicações de microondas de alta potência (HPM - "High Power Microwaves") têm se desenvolvido grandemente nas últimas décadas. Uma aplicação útil, tanto na área militar com na área civil, é a utilização de sinais de microondas de alta potência para danificar sistemas eletrônicos. Atualmente a microeletrônica está maciçamente presente na vida das pessoas em geral, dessa forma, um armamento destinado a inutilizar sistemas eletrônicos pode auxiliar as operações policiais, seja para imobilizar um veículo em fuga, para subtrair a capacidade de comunicação de um grupo criminoso ou inutilizar aparelhos celulares presentes no interior de presídios. Dentre as fontes capazes de gerar sinais de microondas de alta potência, a que apresenta maiores atrativos é o vircator. As principais vantagens do vircator são sua simplicidade de construção, sua capacidade de operar com níveis elevados de potência e o fato de ser compacto. Sua principal desvantagem é sua baixa eficiência de conversão de potência DC para potência de RF. No decorrer das pesquisas com o vircator diversas configurações foram desenvolvidas, sendo que as de maior interesse atual são as coaxiais e a configuração com dois feixes em contra fluxo. Com essas configurações atingiram-se rendimentos da ordem de 10%. Neste trabalho é explorada a configuração que opera com dois feixes em contra fluxo. Desenvolve-se um modelo teórico para a configuração com dois feixes e partindo-se desse modelo propõe-se uma metodologia para especificar um vircator. Com base na potência e freqüência do sinal de saída, a metodologia especifica as dimensões geométricas e os parâmetros eletrodinâmicos de operação do dispositivo. Utiliza-se também uma ferramenta de simulação, o código Karat, sendo que a contribuição dada pela metodologia é a redução da quantidade de simulações necessárias para se obter uma configuração de vircator satisfatória, uma vez que o modelo teórico direciona os parâmetros que devem ser modificados na busca de um melhor desempenho. Verificou-se que a configuração com dois feixes em contra fluxo é de fato uma configuração com grande potencial de aplicação, apresentando rendimentos da ordem de 30%, valor bastante significativo que supera os resultados apresentados em publicações recentes.

O presente trabalho está voltado ao estudo e desenvolvimento de catodos óxidos destinados à geração de elétrons primários e neutralizadores para o protótipo de um propulsor iônico (PION-II), ora em desenvolvimento pelo Laboratório Associado de Plasmas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Esse protótipo está dimensionado para produzir 1mN de empuxo com um consumo máximo de potência de 50W, utilizando argônio ou xenônio com propelente. Tal propulsor poderá ser utilizado na descarga elétrica ou no controle de atitude e órbita dos satélites da Missão Completa Espacial Brasileira (MECB). Os catodos foram confeccionados empregando-se substrato de níquel recoberto por um filme de carbonatos de bário, estrôncio e cálcio. Para a transformação dos carbonatos em óxidos e a posterior emissão termoeletrônica, foi utilizado o aquecimento indireto do catodo. O catodo e o anodo foram dispostos concentricamente de forma a produzir um fluxo convergente de elétrons para o anodo. O desenvolvimento dos catodos óxidos compreendeu, então, o estudo da composição estequiométrica da suspensão de carbonatos, a forma de aplicação do filme sobre o substrato, a otimização do sistema de aquecimento indireto do catodo e os processos de ativação e reativação. As propriedades físico-químicas do filme foram obtidas através de ensaios de emissão termoeletrônica, análises da composição e micrografia do filme.

Esta tese de doutorado tem como objetivo apresentar um estudo dos micro plasmas brilhantes ou luminescentes produzidos em laboratório através de descargas elétricas, na modalidade de micro catodos oco aberto (MCOA), usando-se fontes de corrente contínua (CC) para ionizar o gás. Os parâmetros elétricos e ópticos das descargas elétricas são levantados para duas modalidades de MCOA: 1) o MCOA no modo estático (sem a presença do fluxo de gás); 2) o MCOA no modo dinâmico (com fluxo massivo de gás), produzindo o micro jato de plasma (MP-MCOA). O micro plasma é gerado no interior de uma micro abertura catódica, da ordem de centenas de micrometros. Para a modalidade de MP-MCOA, o plasma gerado na micro cavidade expande-se como micro jato de plasma para fora da abertura, em ambiente atmosférico. O MCOA foi investigado nas operações onde a pressão variará de moderada à atmosférica, a fim de se levantar a curva característica de tensão-corrente e a curva de Paschen, sendo esta específica para a tensão de ruptura da descarga. Através da espectroscopia de emissão óptica, os parâmetros ópticos básicos da descarga de MCOA do MP-MCOA foram levantados, como a temperatura do gás (Tg), a temperatura de excitação (Texc) e a densidade de elétrons (ne), em função da pressão de operação e da intensidade de corrente. O micro plasma de MCOA (e de MP-MCOA) é gerado através de uma descarga em CC num orifício que atravessa duas camadas de metal polarizadas eletricamente com sinais opostos, separadas por uma folha de dielétrico. Um fluxo de gás argônio atravessa o MP-MCOA e propicia a geração do microjato de poucos milímetros de comprimento. Neste trabalho, a Texc foi obtida através do método gráfico de Boltzmann usando as linhas de ArI excitadas; a temperatura das partículas pesadas do gás será estimada com o uso das linhas rovibracionais do radical OH, considerando-se uma termalização dos modos de energia das espécies pesadas. Os alargamentos das linhas de emissão do átomo de hidrogênio, especificamente a linha de Balmer Hß, foram utilizados para a obtenção da densidade de elétrons ne. Dependendo da corrente elétrica de operação, ne variou de 1013 a 1014 cm-3, Tg oscilou de 400 a 900 K e Texc foi de aproximadamente 8000 K, nas descargas de MCOA. Para as descargas de MP-MCOA, devido ao fluxo de gás que refrigera a descarga e os eletrodos, os resultados destes parâmetros foram relativamente menores. O MP-MCOA foi aceso para um conjunto de gases (ar atmosférico, O2, N2, He), misturados separadamente com o gás Ar. Como aplicação, fez-se o tratamento da superfície de uma lâmina de vidro, a fim de melhorar a molhabilidade desta (grau de hidrofilicidade).

Este trabalho apresenta a construção e o desenvolvimento e a caracterização de um canhão de elétrons pulsado de alta intensidade baseado em um pseudospark (PS). O PS é um dispositivo capaz de controlar altas tensões e é embasado em uma descarga pulsada de catodo oco. Este dispositivo será parte integrante do sistema necessário para o emprego da técnica de Velocimetria por Fluorescência por Feixe de Elétrons (EBFV) em túneis de choque hipersônicos para medidas de velocidade e de densidade do escoamento hipersônico. Inicialmente, o PS foi concebido em uma configuração contendo doze eletrodos. Após alguns estudos, chegou-se a uma versão final de três eletrodos, resultando em uma simplificação do projeto e operacionalidade do canhão. O pseudospark de três eletrodos foi caracterizado por meio das curvas de tensão de ruptura em função da pressão (curva de Paschen) utilizando cinco gases (He, Ar, Ne, N2 e ar sintético). O PS investigado demonstrou ser uma promissora fonte de feixe de elétrons colimado com alto brilho e alta intensidade. A caracterização do feixe foi feita com o uso de dois transformadores de corrente e de fotos digitais. Foi constatado que o feixe gerado pode se propagar alguns centímetros sem o uso de lentes magnéticas. As análises ainda mostraram que a duração do pulso foi de cerca de 70 ns, que o diâmetro do feixe é de aproximadamente 5 mm e que sua densidade de corrente é de cerca de 407 A/cm. Foram obtidos os espectros de emissão dos gases acima citados excitados pelo feixe de elétrons em condições estáticas. No caso do nitrogênio, sua temperatura vibracional calculada pelo método de Boltzmann foi de aproximadamente 4200 K.

Orientador: Adriano Reinaldo Viçoto Benvenho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Física, 2013

O presente trabalho descreve os processos de preparação do aluminato de bário e cálcio, material emissor de elétrons, empregados nos catodos do tipo impregnado para utilização em uma válvula de microondas do tipo TWT. Os catodos investigados constituem-se de uma pastilha de tungstênio porosa impregnada com aluminato de bário e cálcio com proporção molar 5:3:2. Para a síntese do aluminato, utilizaram-se três diferentes métodos: reação em estado sólido, precipitação e cristalização. A termogravimetria auxiliou na consolidação dos procedimentos de preparação dos aluminatos de modo a definir os parâmetros de pirólise/calcinação. Verificou-se que a técnica que apresentou melhores características de síntese foi o método da cristalização, pois esta apresentou uma menor temperatura de formação do aluminato (800ºC) em atmosfera oxidante (O2), quando comparada às técnicas de reação em estado sólido e de precipitação (temperatura de 1000ºC em atmosfera redutora – H2). Utilizou-se o conceito da distribuição da função trabalho prática (PWFD) de Miram para a caracterização termiônica dos catodos impregnados. Empregando-se este método, foi possível traçar o perfil termiônico do catodo com aluminato de bário e cálcio. As curvas PWFD apresentaram a função trabalho média do catodo aluminato de, aproximadamente, 2,00 eV. / In the present work it is described the barium calcium aluminate manufacture processes employed to produce impregnated cathodes to be used in a traveling-wave tube (TWT). The cathodes were developed using a tungsten body impregnated with barium and calcium aluminate with a 5:3:2 proportion (molar). Three different processes were investigated to obtain this material: solid-state reaction, precipitation and crystallization. Thermal analysis, thermogravimetry specifically, supported to determine an adequate preparation procedure (taking into account temperature, time and pirolisys atmosphere). It was verified that the crystallization showed a better result when compared to those investigated (solid-state reaction and precipitation techniques – formation temperature is about 1000ºC in hydrogen atmosphere), whereas it presented the lower formation temperature (800ºC) in oxidizing atmosphere (O2). It was used the practical work function distribution theory (PWFD) of Miram to characterize thermionic impregnated cathode. The PWFD curves were used to characterize the barium-calcium aluminate cathode. PWFD curves shown that the aluminate cathode work function is about 2,00 eV.

Descargas de catodo oco (DCO) são capazes de gerar plasmas densos e são empregadas para o desenvolvimento de reatores a plasma em baixa pressão, com taxas elevadas de produção de partículas reativas e alta eficiência de processamento de materiais. A característica geométrica de uma DCO promove oscilações de elétrons de alta energia dentro do catodo, intensificando a ionização, o bombardeio de íons nas paredes internas e outros processos subseqüentes. O objetivo do presente estudo foi investigar sobre as características principais de uma descarga de catodo oco em corrente contínua a fim avaliar sua capacidade de gerar compostos no volume de plasma, pela reação entre as espécies pulverizadas do catodo e os radicais formados na descarga. A DCO foi operada com os gases argônio, nitrogênio e oxigênio em pressões variando na faixa de (9 - 50) Pa e fluxo na faixa de (1 - 100) sccm. A tensão de operação da descarga variou entre (300 - 900) V que corresponde à corrente de descarga entre (10 - 1000) mA. Uma bobina de Helmholtz foi empregada para produzir um campo magnético de baixa intensidade e uniforme ao longo do eixo da descarga variando entre (0 - 10)10-3 T. Os efeitos destes parâmetros, configurações do eletrodo e materiais do catodo (Al, C, Ti), foram investigados nos modos de descarga escura e descarga luminescente a fim de melhorar a eficiência de ionização da descarga e conseqüentemente, produzir plasmas com alta reatividade para a formação de determinados compostos. Os parâmetros do plasma foram inferidos da característica corrente-tensão de uma sonda cilíndrica simples (sonda de Langmuir) posicionada entre os catodos considerando a influência da distância inter-catódica e do campo magnético. Os valores obtidos para a densidade e temperatura de elétrons estão entre (1016 - 1017) m-3 e (2 - 5) eV, respectivamente. Com a técnica de espectrometria de massa algumas espécies na fase gasosa do plasma foram monitoradas para várias condições de operação da descarga. Esta análise de massa complementada com as medidas de sonda fornece uma orientação para otimização da geração dos compostos na descarga e conseqüentemente, para a deposição de filmes finos destes compostos. Interesse especial foi focado na formação de carbono (C), nitreto de alumínio (AlN), dióxido de titânio (TiO2), óxido de titânio (TiO) e nitreto de titânio (TiN) na descarga.

Neste trabalho foram desenvolvidos estudos sobre um jato de plasma com o objetivo de aperfeiçoar seu emprego para corrosão (plasma etching) de materiais eletrônicos. Foi investigado um novo tipo de reator, recentemente desenvolvido, no qual um jato de plasma é gerado em alto vácuo a fim de proceder à corrosão dos materiais. Com o intuito de determinar as condições características de corrosão adequadas a processos de microeletrônica, foram realizados diversos experimentos a fim de avaliar a influência dos parâmetros de controle tais como corrente elétrica da descarga, tensão aplicada, pressão de operação, e influência de campo magnético. Os materiais utilizados, especificamente, filmes de Carbono tipo Diamante são fabricados por técnicas de deposição por sputtering. As taxas de corrosão em função dos parâmetros de controle constituíram o conjunto de condições de operação avaliadas no sentido de se caracterizar a nova técnica de corrosão por plasma para processos de microeletrônica. Os resultados indicam que o processo em alto vácuo na presença de campos magnéticos moderados oferecem algumas vantagens potenciais em relação a outras técnicas de processamento por plasma utilizadas na microeletrônica. A corrosão em ambiente de baixa pressão reduz a presença de impurezas sendo que a direcionalidade do jato de plasma favorece a anisotropia da corrosão.

O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sistemático dos microplasmas luminescentes produzidos através de descargas elétricas de corrente contínua, complementando o trabalho iniciado na dissertação de mestrado. Estes estudos envolvem as propriedades elétricas e espectroscópicas (através da espectroscopia óptica de emissão - EOE). Os microplasmas caracterizados eletricamente são: microcatodo oco aberto e fechado, microanodo oco, microjato de plasma com anodo (ou catodo) plano, além de outras modalidades destes, operados em pressões que variam de poucos Torr até a pressão atmosférica. Para as caracterizações espectroscópicas, que é a essência desta tese, optou-se por estudar microplasmas produzidos na pressão atmosférica, principalmente o microjato de plasma com catodo plano e o microanodo oco com fluxo de gás. Este é o primeiro estudo sistemático que se faz nesta modalidade de microjato. O microjato de plasma é gerado através de uma descarga em corrente contínua, entre o orifício de um microtubo metálico polarizado positivamente e uma superfície metálica plana, polarizada negativamente e posicionada defronte ao microtubo. Um fluxo de gás argônio atravessa o tubo e propicia a geração do microjato de poucos milímetros de comprimento. Através da caracterização elétrica obteve-se para os microplasmas: curvas de Paschen, curva característica tensão-corrente, curva tensão versus comprimento do jato (para o microjato). Através destes dados determinaram-se alguns parâmetros elétricos das descargas, como intensidade de campo elétrico na região da coluna positiva do microjato de plasma e densidade de elétrons. Um estudo dos processos de alargamentos das linhas de emissão (exclusivamente para as linhas de Balmer do hidrogênio e linhas de ArI) foi feito com o intuito de se determinar, através da EOE e em função da intensidade de corrente de operação, outros parâmetros da descarga, como: densidade de elétrons (1015cm-3), temperatura de excitação de elétrons (104K), temperatura do gás (103K) e temperatura do átomo de hidrogênio (104K). Através de um sistema óptico com alta resolução espacial obteve-se, em primeira mão, a distribuição do campo elétrico e a densidade efetiva de partículas carregadas na região de bainha catódica do microjato de plasma e a espessura (~102?mm) desta região.