A transformação de fases, a formação de microestruturas, a variação de dureza e a formação de outros compostos nas superfícies dos corpos-de-prova da liga Ti/Nb (50/50) são estudadas a temperaturas de 600 e 800C; primeiramente, mediante a aplicação da técnica de tratamentos térmicos para amostras protegidas em cápsulas de quartzo a vácuo e amostras não protegidas; posteriormente, por nitretação iônica a plasma frio. Estas amostras são submetidas a resfriamento em atmosferas diferentes como: em forno, expostas ao ar, imersão em água e em nitrogênio líquido. A caracterização é feita por difração de raios X, microscópio eletrônico de varredura, microscópio óptico e ensaios de dureza (Rockwell, Vickers e nanoindentação). Após tratamentos térmicos, em amostras tratadas à temperatura de 600C, observam-se a formação de finas partículas de fase alfa e indícios de precipitados aciculares da fase alfa na fase b-(Ti,Nb) da liga. Para os tratamentos térmicos, feitos à temperatura de 800C em amostras tratadas sem proteção, observa-se a formação de camadas de óxidos de nióbio e titânio em suas superfícies. As amostras resfriadas em nitrogênio líquido apresentam formações de uma camada externa formada por NbO, TiNO0,9 e uma nova fase e-Ti2N, e uma camada ou banda intermediária, de cor dourada, característica da fase d-(Ti,Nb)N. Observa-se também uma rápida difusão interna de nitrogênio. Os resultados da caracterização de amostras, após nitretação por plasma em atmosfera de nitrogênio (1,9 Torr) e estudadas à temperatura de 800C, apresentam a formação de uma camada de nitreto externa muito compacta, identificada como a fase d-(Ti,Nb)N, e uma zona muito predominante de difusão de nitrogênio na matriz da liga b-(Ti,Nb). Para todas estas morfologias encontradas, observam-se nucleações heterogêneas junto aos contornos de grão e discordâncias de linha como mecanismos predominantes.

Os métodos de separação isotópica que utilizam lasers baseiam-se na capacidade diferenciada, apresentada pelas variedades isotópicas, em absorverem radiação eletromagnética em determinadas freqüências. Portanto, se uma mistura de 235U e 238U for irradiada por um laser cuja freqüência seja ressonante com uma linha de absorção do 235U e que tenha uma linha de emissão suficientemente estreita, a radiação será absorvida preferencialmente por este isótopo. A determinação das freqüências de absorção é, portanto, de fundamental importância para o desenvolvimento do processo de separação isotópica via lasers. Foram investidos esforços neste trabalho, na obtenção de uma ferramenta espectroscópica que forneça os comprimentos de onda que, através de absorção a múltiplos passos, ionize o átomo de urânio. Para isto, utilizou-se uma lâmpada de catodo oco (LCO) para obter as transições do urânio e estudar alguns processos físicos que ocorrem neste tipo de descarga por meio das técnicas de espectroscopia optogalvânica e de fotoionização a múltiplos passos. Pela técnica optogalvânica, e utilizando uma LCO com descarga contínua (DC), foi realizada espectroscopia de absorção de até duas freqüências distintas para o urânio. Através desta técnica foi possível determinar o tempo de vida efetivo do nível 7M7 do urânio, bem como as taxas de colisão entre os átomos de urânio e o gás tampão argônio e com os elétrons da descarga. Com esta mesma lâmpada, porém, com descarga pulsada, e realizando espectroscopia na pós-descarga, através da medida de corrente de íons, foi possível fazer espectroscopia de três freqüências pela absorção sucessiva de até três comprimentos de onda distintos. Com esta técnica de espectroscopia dá-se um importante avanço para o processo de separação isotópica via lasers. Os vários estudos realizados possibilitaram observar que existe a formação de aglomerados de urânio na pós-descarga, bem como medir o tempo de veida efetivo do nível 7M7 do urânio por esta técnica. Com o objetivo de tentar entender alguns dos processos físicos que ocorrem numa descarga de catodo oco, foi possível medir o tempo de difusão ambipolar do plasma de urânio, produzido por fotoionização na pós-descarga e, por meio deste, determinar a seção de choque de colisão elástica entre os íons de urânio e os átomos de argônio. De posse destes parâmetros, podemos dizer que obtivemos um novo método espectroscópico de inferir a temperatura de descarga.

Este trabalho de Mestrado, em Engenharia Eletrônica, compreende basicamente o desenvolvimento de vários sistemas elétricos dedicados ao Experimento Tokamak Esférico (ETE), em especial dos circuitos dos bancos de capacitores para a formação e aquecimento ôhmico do plasma (bobinas solenoidais), dos circuitos dos bancos de capacitores para a produção dos campos magnéticos de confinamento e equilíbrio do plasma (bobinas toroidais e verticais), e, também, do sistema de controle, baseado em um computador do tipo PC com comunicação digital através do barramento CAMAC IEEE-583, e do sistema de segurança, baseado em componentes pneumáticos. O tokamak esférico ETE é uma máquina destinada ao estudo experimental de plasmas com parâmetros relevantes à fusão termonuclear controlada, e que apresenta como principal característica o fato de possuir uma geometria toroidal de baixa razão de aspecto, A=R/a~1,5, onde R e a são respectivamente, o raio maior e o raio menor da coluna toroidal de plasma. Esta máquina está sendo construída no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) em São José dos Campos - SP.

Neste trabalho são apresentados os detalhes de projeto e construção de um equipamento de tocha de plasma gerada por uma descarga em arco de baixa potência, 300 - 2000W, para sintetização de filmes de diamantes "CVD", assim como são comentados os resultados da caracterização do arco elétrico, da tocha de plasma e dos filmes produzidos. O sistema foi projetado e construido de acordo com a dinâmica de gases unidimensional, teve como diretriz a necessidade de se utilizar componentes e equipamentos disponíveis no Laboratório Associado de Plasma do INPE. A descarga foi caracterizada eletricamente, ou seja, foram determinadas as curvas características da descarga, tensão em função da corrente, para diversas condições de operação, as quais foram comparadas com as curvas características obtidas por um modelo teórico simples desenvolvido para este sistema apresentando boa concordância. Verificou-se que o sistema de descarga apresenta dois modos de operação, que foram denominados modo luminescente e modo arco. No modo luminescente foram determinados os parâmetros da tocha de plasma: densidade e temperatura eletrônica usando sonda eletrostática dupla e no modo arco foi determinada a freqüência angular de rotação do arco utilizando um anodo dividido em quatro setores independentes. Foi realizado também uma análise da superfície dos eletrodos. Tanto no modo luminescente como no modo arco foram crescidos filmes de diamante que foram caracterizados pelas técnicas de microscopia eletrônica de varredura, dispersão em energia de raio-X, difração de raio-X e espectroscopia Raman. Os filmes produzidos no modo luminescente apresentam uma fase cristalina misturada com uma fase amorfa e pouca uniformidade ao passo que os filmes produzidos no modo "arco" são bem uniformes porém apresentam somente a fase amorfa.

Neste trabalho são apresentados os resultados de investigações realizadas num jato de plasma de baixa intensidade. O jato de plasma foi produzido por descarga elétrica através do gás argônio em expansão no vácuo. A expansão do gás é produzida a partir de um orifício de constrição numa parede fina, separando um tubo de descarga (câmara fonte) de uma câmara de vácuo (câmara de expansão), havendo um um grande gradiente de pressão através do orifício. A descarga elétrica é produzida entre um catodo oco alocado na câmara fonte e um ânodo, aterrado, na câmara de expansão. Foram feitos orifícios de (0,6; 1,0 e 2,0) mm de diâmetro, separadamente. As condições de operação foram: corrente de descarga variando entre 10 e 100mA, voltagem de descarga entre 400 e 600 V, fluxo de massa variando de 0,8 a 10 sccm, correspondendo a pressões de 13 a 133 Pa e 1,33 10-2 a 1,33x10-1 Pa na câmara fonte e na câmara de expansão, respectivamente. Foi observada a formação de um plasma de constrição na forma de um saco de plasma, na ragião de constrição estendendo-se de um lado a outro do orifício. O jato de plasma é visualmente observado numa forma cônica originando-se próximo à saída do orifício. A caracterização do jato de plasma de constrição, foi feito utilizando sondas eletrostáticas e analisadores de energia. Parâmetros típicos ao longo do eixo do jato de plasma são: densidade de corrente de elétrons de ordem de 3 mA/cm2, corrente de saturação de íons da ordem 30 mA/cm2, potencial flutuante de -120 a -30 V, energia dos íons entre 30 e 120 eV, e energia dos elétrons entre 30 e 200 eV. Das medidas do perfil de potencial, observou-se um degrau do potencial entre o plasma de constrição e a coluna positiva, correspondendo a uma camada dupla que envolve o plasma da constrição. No lado do jato de plasma, através das medidas de energia dos íons com um analisador eletrostático, medidas do perfil do potencial de plasma e potencial flutuante ao longo do eixo central, com uma sonda cilíndrica, foi observada a formação de uma segunda dupla, sendo esta a responsável pela aceleração dos íons e a desaceleração dos elétrons que se dirigem do orifício para a câmara de expansão. Desta forma, o plasma de constrição encontra-se numa região de potencial mais elevado em relação a sua vizinhança, comportando-se como um poço de potencial que aprisiona elétrons térmicos criados no saco de plasma. Globalmente, a fonte compreende três tipos de plasma, quais sejam: o plasma da coluna positiva formado no tubo de descarga, o plasma de constrição (saco de plasma) e o jato de plasma. O casamento entre o plasma da coluna positiva e o plasma de constrição ocorre através de uma camada dupla (CD1) de forma quase esférica, envolvendo o plasma de constrição. O casamento entre o saco de plasma e o jato de plasma, também é estabelecido através de uma camada dupla (CD2). A CD1 é formada por 4 populações de partículas, sendo estas os íons e elétrons do plasma da coluna positiva e íons e elétrons do saco de plasma. A CD2 é formada por três populações de partículas, sendo estas os íons e elétrons do saco de plasma e os elétrons rápidos provenientes da coluna positiva. Os íons da coluna positiva não conseguem atravessar a CD1 por não terem energia positiva são acelerados pelo potencial da CD1, ganhando substancial velocidade de deriva. Os íons e elétrons do saco de plasma são formados devido a colisões ionizantes entre os elétrons provenientes da coluna positiva e os átomos ou moléculas do gás, sendo esta ionização mais intensa do que na coluna positiva. Osd elétrons formados no saco de plasma são termalizados e permanecem no saco de plasma por não terem energia suficiente para sair do poço de potencial. É assumido no modelo, que um jato de plasma é formado pelos íons provenientes do saco de plasma e elétrons rápidos provenientes da coluna positiva e que atravessam o saco de plasma. Nenhuma produção de partículas carregadas é suposta ocorrer na câmara de expansão. Um estudo teórico das camadas duplas foi desenvolvido utilizando o método do "Potencial de Sagdeev"e uma descrição cinética da dinâmica das partículas carregadas que compõem essas estruturas eletrostáticas. São utilizados dados experimentais e condições de contorno consistentes para determinar o Potencial de Sagdeev de cada uma das camada duplas, em diferentes condições operacionais da fonte. Uma quadratura a partir da equação do Potencial de Sagdeev, é numericamente realizada para obter os perfis de potenciais das camadas duplas. Os resultados mostram que a largura das camadas duplas aumentam com a corrente de descarga e diminui com o aumento da pressão do gás. Utilizando a fonte de jato de plasma como reator de processos, foram investigadas algumas aplicações como: corrosão de filmes finos de carbono tipo diamante, deposição de filmes finos de cobre por espirramento e esterilização de amostras contaminadas com microorganismos. os resultados mostram potenciais aplicações desta fonte de partículas, a qual deve, no entanto, ser otimizada para cada tipo de aplicação. Finalmente esta dissertação de tese contém explicações originais sobre a fenomenologia dos jatos de plasma frios, operando em regime de descarga luminescente com baixa intensidade de corrente. O modelo cinético que discrimina as populações de partículas carregadas envolvidos na geração do feixe de plasma, assim como o mecanismo eletrostático de energização dos elétrons e íons do jato de plasma, aqui apresentados, são contribuições relevantes, relevantes deste trabalho.

Neste trabalho estudamos analiticamente e numericamente a topologia do campo magnético em tokamaks, nos focando, basicamente, no tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) em construção na França. Para as análises numéricas utilizamos como ferramenta o conjunto integrado de códigos CRONOS, que realiza simulações de descargas em tokamaks, e acopla uma série de códigos computacionais, tais como o módulo ';Helena';, usado para o estudo do equilíbrio MHD, entre outros. Já a parte analítica foi realizada pela simulação de superfícies magnéticas através de equações diferenciais ordinárias. Simulações numéricas e analíticas são apresentadas para densidades de corrente toroidal com buraco (oca), relatando também o aparecimento de cadeias de ilhas próximas ao eixo magnético, causadas pela inversão de corrente. Simulações das superfícies magnéticas do tokamak ITER, através de campos magnéticos gerados por fios, também são analisadas, assim como alterações na topologia das superfícies causadas pela adição de um ruído que simula colisões de partículas dentro da coluna de plasma. Identificamos neste último modelo estruturas que aprisionam linhas de campo magnético por muitas voltas toroidais, alterando os padrões de escape para as placas do divertor através do efeito stickiness.

The recently increasing interest in plasma assisted combustion is motivated by new possibilities for ignition and flame stabilization, in addition to pollutant emission reduction and control. The plasma generates a chemical active environment producing radicals, excited species and ions thus increasing the combustion process reaction rate. In this work the effect of plasma assisted combustion phenomena in a premixed flame of natural gas-air is investigated by using pollutant emission gas analysis, optical emission spectroscopy and high speed imaging. The plasma is created by using a gliding-arc discharge, chosen because of its properties: works at atmospheric pressure, generates high electron density plasma and has chemical selectivity. The reactor geometry limits the equivalence ratio (?) range of stability between ? = 0.3 - 0.7 and ? = 1.2 - 1.4. Within these ranges the equivalence ratios of ? = 1.2 and ? = 1.4 were chosen for investigation. The variable in this study is the applied electrical power ranging between 220W and 370W. Results show the behavior from fundamental components of natural gas combustion, as CH4, nitrous oxide components, carbon monoxide, carbon dioxide and others. Also, the formation of radicals was evaluated and high speed images were recorded for a better overview of the process. It was seen that relations between gas temperature, input electrical power and chemical dynamics influence the parameters of combustion, emission gases and radicals.

Neste trabalho foi realizado um estudo do transporte de partículas em um plasma, confinado em um campo magnético uniforme, devido às ondas eletrostáticas de deriva. O modelo adotado consiste em descrever o movimento do centro de guia de uma partícula no campo magnético perpendicular a um campo elétrico radial perturbado pelas ondas de deriva. Usamos uma descrição Hamiltoniana para o movimento dos centros de guia. A velocidade de deriva produzida pelo campo elétrico radial é representada pela parte integrável da Hamiltoniana e a esta foram adicionadas perturbações periódicas representando as flutuações do campo elétrico associadas às ondas de deriva. Assim, obtemos órbitas caóticas que determinam o transporte radial das partículas. Apresentamos, para várias condições de equilíbrio, a variação do transporte radial de partículas com a amplitude da perturbação. Utilizamos dados experimentais, sobre a turbulência eletrostática no tokamak TBR-1, para verificar a validade do modelo e a importância das ondas de deriva no transporte radial das partículas. Comparamos os valores do coeficiente de difusão experimental com os do modelo e obtivemos os resultados com a mesma ordem de grandeza. / In this work we have studied the transport of particles in a magnetically confined plasma, due to electrostatic drift waves. The adopted model describes the trajectory of the guiding center of a particle in a uniform magnetic field perpendicular to a radial electric field perturbed by drift waves. We have used the Hamiltonian description for the guiding center trajectory. The drift produced by the radial electric field is represented by the integrable part of the Hamiltonian, while the other part contains periodic perturbations representing the fluctuations of the electric field associated to the drift waves. In this way we obtain chaotic orbits that determine the particles radial transport. For several balance conditions, we present the variation of the radial transport of particles with the amplitude of the perturbation. V/e have used the experimental data of the electrostatic turbulence measured in TBR-1 tokamak to verify, the validity of the model and the importance of the drift waves in the particles radial transport. We have also compared the values of the experimental diffusion coefficient with those provided by using the model, obtaining results with the same order of magnitude.

Efeitos da polarização eletrostática de eletrodos na periferia de tokamaks têm sido investigados em pequenos tokamaks e mesmo em alguns tokamaks de grande porte. Em geral as experiências são realizadas em condições em que bifurcação do campo elétrico radial é obtida, processo este identificado como modo H de polarização. No Tokamak TCABR, as experiências indicam que o confinamento aumenta para tensões aplicadas até +300 volts, atingindo um máximo de duas vezes o tempo de confinamento do modo L, mas sem bifurcação. Indícios de bifurcação foram notados com +400 V de polarização, mas a descarga termina devido à excitação da atividade MHD, ainda sob investigação. No presente trabalho, a pesquisa é aprofundada com a utilização de uma sonda de Langmuir com 18 pinos dispostos em duas fileiras sob a forma de um ancinho (rake probe) o que permite a medição da temperatura, densidade e flutuação de potencial ao longo do raio menor na periferia do Tokamak. A resolução temporal desse sistema é de cerca de 0,5 ms, para a temperatura, e 5 microssegundos para densidade e potencial flutuante do plasma. Outra sonda eletrostática com 5-pinos na mesma posição radial, mas em diferentes posições poloidal e toroidal foi usada para medições de turbulência e transporte de partículas. Os efeitos da polarização foram investigados e indicam que os níveis de turbulência e transporte começam a diminuir entre +150 e +200 V e para +300 V chegam a atingir uma quase supressão. Nesse mesmo intervalo de tensão a densidade começa a aumentar e para +300 V chega a ser um fator de aproximadamente 2. Quanto ao perfil de temperatura a variação é pouco significativa, mas as incertezas das medidas são maiores. Esses dados são compatíveis com a criação de uma barreira de transporte na região entre o eletrodo em r = 17 cm e o limitador em a = 18 cm. Além disso, o campo elétrico radial mostra forte cisalhamento nessa região. Tomando o início da subida do potencial flutuante como origem de uma escala de tempo, o atraso temporal do início da subida da densidade de elétrons e o atraso do início do decréscimo do transporte de partículas foram medidos. Os resultados são 50 microssegundos para a densidade de elétrons e 60 microssegundos para o transporte de partículas. A questão dos limiares de potência é discutida no texto. Os dados desta experiência indicam que o campo elétrico radial desempenha o papel principal para a melhoria do confinamento. / Electrode biasing effects in the periphery of tokamaks have been investigated in small tokamaks and in a few large tokamaks. Usually the experiments are performed in conditions were bifurcation of the radial electric field is achieved, identified as biased H mode. In the tokamak TCABR, the biasing experiments indicate that the confinement increases for applied voltages up to +300 Volts, reaching a maximum of twice the confinement time of the L mode, but without bifurcation. Indications of bifurcation were detected with +400 V biasing, but the discharge terminates due to excitation of MHD activity, still under investigation. In the present work, the research is improved with the use of a rake shaped 18-pins Langmuir probe, allowing the measurement of electron temperature, density and potential fluctuations along the minor radius near the edge of the tokamak with time resolution of about 0.5 ms, for the temperature and 5 microseconds for density and floating potential. Another electrostatic probe with 5-pins all in the same radial position, but in different poloidal and toroidal position was used for turbulence and particle transport measurements. The effects of biasing indicate that the levels of turbulence and transport begin to decrease between +150 and +200 V and for +300 V reaches an almost suppression. In that same voltage interval the density, begin to increase and for 300 V reach a factor of about 2. The temperature profile does not change significantly but the uncertainty of the measurements is larger. These data are compatible with the creation of a barrier between the position of the electrode at r = 17 cm and the limiter of the tokamak at a = 18 cm. In addition, the radial electric field data show strong shear in this region. Taking the start of the increasing of the fluctuation potential as the origin of a time scale, the temporal delay of the start of the edge electron density increase and transport decrease were measured. The results are 50 microseconds for the electron density and 60 microseconds for the particle transport. The power threshold for the confinement improvement is discussed in the text. The data obtained in this experiment confirm that the shear of the electric field has the stronger role for the confinement improvement with biasing in TCABR tokamak.

Através de um mapa de ondas de deriva, estudamos o transporte de partículas no Texas Helimak, considerando diversos perfis do campo elétrico radial. O Texas Helimak é um equipamento de confinamento magnético caracterizado por linhas de campo helicoidais e que fornece uma aproximação experimental de um plasma unidimensional. Ele possibilita a imposição de um potencial elétrico externo ao plasma, chamado bias, que altera o perfil radial do campo elétrico de equilíbrio e, consequentemente, possui influência sobre as características de transporte no plasma. Para estudar o efeito do bias sobre o transporte, utilizamos um modelo que considera flutuações eletrostáticas, associadas à deriva E x B, como mecanismo de turbulência. Com isso, introduzimos um mapa de ondas de deriva, cujos parâmetros estão relacionados a dados experimentais para diversos valores de bias. Assim, ao variar o bias, pudemos observar a formação e a destruição da curva sem shear, bem como seu efeito sobre o transporte das trajetórias no espaço de fase. / Using a drift wave map, we studied the particle transport in Texas Helimak considering various electric field radial profiles. Texas Helimak is a device for magnetic confinement characterized by helical field lines, and constitutes an experimental approximation to a one-dimensional plasma. It allows for the imposing of an external electric potential, known as bias, which changes the equilibrium electric field radial profile and hence the transport properties of the plasma. In order to study the effects of the bias potential on the particle transport, we used a model with electrostatic fluctuations associated to E x B drift as the turbulence mechanism. Thus, we introduced a drift wave map whose parameters are related to experimental data for various values of bias. Therefore, by varying the bias, we observed the formation and destruction of the shearless curve, as well as its effects on trajectories transport in the map\'s phase space.