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.

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.

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.

O objetivo do presente trabalho foi realizar estudo experimental e teórico amplo e criterioso de plasmas confinados em um microcatodo oco aberto (MCO aberto), formado por um capacitor de placas plano-paralelas com um dielétrico (mica), entre elas e um furo de diâmetro (diâmetros escolhidos: 250m, 500m e 1000m), vazando o centro das placas juntamente com o dielétrico. Este dispositivo foi alimentado por uma fonte de alta tensão de corrente continua (CC). Os eletrodos utilizados na confecção dos MCO';s abertos foram o cobre, molibdênio e tântalo. Em relação às condições experimentais, os nossos microplasmas foram gerados em uma mistura de gases, , sob pressões sub-atmosféricas ou atmosféricas. Primeiro, fizemos uma investigação sobre os modos de operação apresentados pelos microplasmas através da curva característica tensão-corrente. Os resultados obtidos para estas curvas foram divididos em dois grupos. No primeiro grupo focamos a aplicação da lei de similaridade de Allis-White com relação ao modo de operação que apresenta uma resistência negativa (regime de catodo oco ou auto-pulsado). Para a faixa de pressão em que as microdescargas foram geradas, outros mecanismos (emissão secundaria, efeito Penning entre outros) são predominantes na produção de elétrons livres em relação ao efeito catodo oco, verificando o modo de operação e o auto-pulsado. Em relação ao segundo grupo ( - ), verificamos somente os regimes de operação normal e anormal estão presentes na descarga. Segundo, por meio do estudo das linhas de emissão dos espectros dos átomos de hidrogênio ( ) e argônio ( ) e também das moléculas de OH, obtivemos os resultados para a densidade eletrônica ( ), temperatura de excitação de elétrons ( ), função de distribuição dos estados atômicos (FDEA) do e a temperatura do gás ( ). Os resultados obtidos para , e estão coerentes com os publicados na literatura quando a corrente da descarga ou a pressão dentro do reator é elevada. Para os perfis apresentados pela FDEA do , constatamos que os estados pertencentes ao nível apresentaram o equilíbrio de Boltzmann parcial local, enquanto que, os níveis pertencentes à cauda da função de distribuição tenderam ao equilíbrio de Saha parcial local quando a pressão e o furo do microcatodo oco foram aumentados. Através dos valores apresentados pelo parâmetro , foi possível avaliar o quanto cada estado da função de distribuição dos estados atômicos do argônio experimental estava fora do equilíbrio de Saha . Além disso, por meio deste parâmetro concluímos que os balanços impróprios que mais contribuíram para tal perda de equilíbrio foram o balanço corona (BC) e o balanço de saturação por excitação (BSE). Por fim, para validar o código colisional radiativo de modelagem CRModel [MULLEN-2000], confrontamos os valores obtidos para e experimentalmente com os teóricos fornecidos pelo código, onde verificamos que para , os resultados estão em boa concordância dentro das incertezas, exceto, para alguns valores de pressão e diâmetros de furo dos MCO.

As terras-raras vêm originando interesse em cientistas e pesquisadores por suas aplicações médicas, industriais e em telecomunicações. Entre as terras-raras de interesse para o Instituto de Estudos Avançados - IEAv, encontra-se o érbio, cujas aplicações incluem a indústria nuclear, lasers e fibras ópticas. A utilização de um determinado isótopo pode melhorar o desempenho final do dispositivo que o contém. Porém, para realizar o processo atômico de separação isotópica a laser, é necessário o conhecimento espectroscópico do átomo, como seus níveis de energia e frequências de absorção, para um correto ajuste na sintonia dos lasers. O objetivo deste trabalho é investigar as duas primeiras frequências sequenciais de absorção do átomo de érbio que levam à fotoionização a múltiplos passos, na região de comprimento de onda de 580 a 600 nm, por meio da espectroscopia optogalvânica limitada por Doppler em lâmpada de catodo oco comercial de érbio. Para o primeiro passo, foram priorizadas as transições que partem do estado fundamental do átomo, uma vez que há uma maior probabilidade de ocupação deste nível. A partir dos níveis de energia do átomo de érbio encontrados na literatura e das regras de seleção para transições entre estes níveis, foram calculadas as possíveis frequências tanto do primeiro como do segundo passo. Para obter as duas frequências sequenciais experimentalmente, foram utilizados dois lasers de corante, sendo cada um deles bombeado por um laser de vapor de cobre, permitindo a observação de oito sequências. Além disso, foi observada uma transição de segundo passo, com um primeiro passo partindo de 5035,19 cm-1 (585,169 nm). Espectros de emissão da lâmpada de catodo oco foram previamente obtidos, a fim de facilitar a identificação das transições de érbio e do gás de preenchimento da lâmpada (neônio) e também para estimar a temperatura eletrônica, um parâmetro do plasma importante para o cálculo da população atômica nos seus diferentes níveis de energia.

Este trabalho tem como objetivo apresentar o estudo e a caracterização de microjatos de plasma originários de microdescargas de microcatodos ocos produzidos em laboratório através de descargas elétricas, usando-se fontes de corrente contínua (CC) para ionizar gases como ar, nitrogênio, argônio e oxigênio. Os parâmetros elétricos e ópticos das descargas elétricas foram levantados para o microcatodo oco aberto (MCOA) no modo estático (sem a presença do fluxo de gás) e o microcatodo oco no modo dinâmico (com fluxo massivo de gás). No primeiro caso, o plasma é gerado no interior de uma microcavidade catódica, da ordem de centenas de micrometros, enquanto que no segundo, este plasma, gerado na microcavidade, expande-se como microjato de plasma (MP) 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 e do MP foram quantificados, como a temperatura do gás (Tg) e a temperatura de excitação (Texc), em função da pressão de operação e da intensidade de corrente. O microplasma de MCOA (e de MP) é gerado através de uma descarga em CC num orifício que, com diâmetro da ordem de algumas centenas de micrometros, atravessa duas camadas de metal polarizadas eletricamente com sinais opostos, separadas por uma folha de dielétrico. Um fluxo de gás atravessa o MP e propicia a geração do microjato de poucos milímetros de comprimento. Neste trabalho, a Texc foi obtida através do método gráfico de Boltzmann através das linhas de ArI excitadas; a temperatura do gás, Tg, será estimada com o uso das linhas rovibracionais da molécula de OH, considerando-se uma termalização dos modos de energia destas duas espécies. 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. Como aplicação, fez-se o tratamento de superfícies lisas de polietilenos de alta densidade (PEAD) com vistas à melhoria da propriedade hidrofílica desta superfície.

O isótopo 164Dy pode ser utilizado na construção de barras de controle nuclear, devido sua alta eficiência na absorção de nêutrons. Além disso, seus outros isótopos possuem outras aplicações industriais e podem até mesmo serem utilizado como radiofármacos. Assim, com esta motivação em mente, este trabalho pretende contribuir para o processo atômico de enriquecimento isotópico a laser do disprósio, em um dos isótopos de interesse. Para tal, os estudos e experimentos utilizaram da técnica da espectroscopia optogalvânica de múltiplos passos para identificar as possíveis rotas de se obter a fotoionização do disprósio na região do espectro entre 555 nm e 615 nm. Além disso, durante este trabalho, um código computacional de análise e simulação de espectros, o programa ASAS (Analysis and Simulation of Atomic Spectra), foi atualizado, resultando em quatro funções que auxiliaram no planejamento e interpretação de resultados experimentais. Bases de dados de literatura para o átomo de disprósio neutro, contando com as linhas espectrais e níveis de energia conhecidos, foram formatadas para utilização neste programa. Os experimentos foram realizados utilizando uma lâmpada de catodo oco de disprósio com neônio como gás tampão. Foram registrados espectros de emissão da lâmpada operando com três valores de corrente distintos. A identificação de dez linhas de disprósio, no espectro experimental, possibilitou a determinação da temperatura através do Método do Gráfico de Boltzmann, para os três valores de corrente de operação: (2580 33) K para 5 mA; (2657 36) K para corrente de 9 mA; e (2777 39) K para 13 mA. Por fim, com os valores de temperatura e o princípio de distribuição de Boltzmann a população de átomos no nível fundamental foi calculada. Na espectroscopia optogalvânica de primeiro passo limitada por Doppler, observaram-se cinco transições de Dy I ressonantes partindo do estado fundamental do átomo nas regiões espectrais de alcance dos lasers de corante empregados, 555 nm a 575 nm e de 585 nm a 615 nm. Por meio da espectroscopia optogalvânica de dois passos, foram identificadas treze transições, uma partindo do nível de energia 17727,15 cm-1 e as demais transições partindo do nível 17687,90 cm-1. Entre as transições, verificou-se a existência de quatro níveis de energia não atribuídos na literatura, níveis estes que possibilitam o estudo de novas rotas para o processo de fotoionização por múltiplos passos do disprósio.