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.

Processos que envolvem ablação a laser de alvo metálico tem sido foco de estudos atuais devido ao interesse em aplicações como propulsão a laser e devido ao interesse das agências de pesquisa na área de energia como o IPEN - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. O presente trabalho tem por objetivo calcular propriedades como temperatura de excitação e população dos níveis excitados de uma pluma de plasma gerada por ablação a laser de alvo metálico, mais especificamente, determinar parâmetros do plasma gerado por ablação de um alvo de molibdênio no estado sólido usando um laser de Nd:YAG. Assim, este trabalho se torna parte de um projeto cuja intenção é realizar a separação isotópica do molibdênio, produzindo o isótopo 99Mo para aplicações em diagnósticos médicos. Através dos estudos realizados foi possível alcançar um entendimento sobre a formação da pluma de plasma de molibdênio. O perfil de profundidade permite entender a composição da pluma no que diz respeito à proporção entre átomos neutros e ionizados. Assim, foram feitas comparações dos espectros de emissão experimentais com espectros sintéticos - construídos baseados em dados da literatura, determinando-se a temperatura de excitação do plasma de molibdênio. Além disso, os dados foram corroborados através dos cálculos realizados por meio de métodos gráficos como de Boltzmann e Saha-Boltzmann. Finalmente, puderam-se quantificar as populações relativas dos estados eletrônicos excitados.

Neste trabalho são apresentadas as principais propriedades físicas de microjatos de plasma em pressão atmosférica excitados por uma fonte de rádio freqüência ajustada em 144 MHz com potências de 5 W, 10 W, 20 W e 50 W. Para gerar os microjatos foram utilizadas três misturas de gases: argônio-hidrogênio, argônio-vapor d';água e argônio-etanol. Um processo chamado "borbulhador" foi empregado para adicionar vapor d';água e etanol nos microjatos. Este processo consiste em desviar parte do fluxo de gás inerte para um recipiente onde contém o líquido que se quer introduzir na descarga, assim o fluxo do gás inerte arrasta moléculas do líquido para dentro do plasma. Os parâmetros dos microjatos foram inferidos basicamente a partir de um monocromador de alta resolução, sendo utilizadas técnicas de espectroscopia de emissão. A radiação emitida pelo plasma é conduzida até a fenda de entrada do monocromador através de uma fibra óptica. Para cada situação de energia do gerador e mistura de gás foram determinadas, em função do comprimento do microjato, as seguintes propriedades: temperatura rotacional da molécula de OH, temperatura de excitação, densidade eletrônica e temperatura atômica do hidrogênio.

Estudos experimentais foram realizados visando a geração de um jato metálico de átomos neutros por ablação a laser em alvos de cobre. Para estudar a composição da pluma gerada por ablação e para estudar o processo de remoção da fração carregada eletricamente da pluma, foi utilizado um dispositivo constituído por um par de eletrodos de extração de íons e por um sensor de pressão de PVDF. O sensor de PVDF responde à pressão das partículas em sua superfície, enquanto o potencial aplicado aos eletrodos extrai os íons da pluma. A dependência da fluência do laser na razão entre as populações dos íons e átomos neutros na região entre 20 a 32 J/cm2 foi investigada e utilizaram-se valores de tensão de extração de até 800 V. Neste intervalo dos parâmetros de estudo, o percentual de átomos neutros varia entre 30 - 8% da população total da pluma. O ajuste de uma função de distribuição Maxwelliana de velocidades foi realizado ao sinal do sensor de PVDF para inferir os parâmetros de velocidade de deriva, que variou de 3,4 a 4,6 km/s e, através do modelo hidrodinâmico encontrado na literatura para o tratamento da expansão da pluma, foi possível obter os valores de temperatura translacional da pluma variando entre 8 e 14×104 K. Constatou-se a existência de um mecanismo interno de aceleração das partículas da pluma, atribuído à formação de camada dupla, que por sua vez gera um potencial acelerador interno. Foi inferido, pela diferença entre a velocidade de deriva e a velocidade térmica, que este potencial acelerador é da ordem de 3 V, mesmo quando não há tensão aplicada aos eletrodos. Foi verificado que a pluma gerada por ablação a laser na condição experimental deste trabalho encontra-se no regime em transição, que para baixas fluências apresenta um comportamento de partícula livre, e em fluências mais altas é possível observar um comportamento de plasma. Pelos resultados obtidos, foi confirmada a geração de um jato metálico neutro que poderá ser utilizado em experimentos de separação isotópica usando lasers.

O presente trabalho de mestrado tem como objetivo estudar o comportamento em fluência da liga Ti-6Al-4V tratada termicamente e submetida à Implantação Iônica por Imersão em Plasma de Nitrogênio (IIIP-N). Nesta proposta pretende-se dar continuidade às pesquisas já iniciadas no estudo da fluência da liga Ti-6Al-4V acrescentando-se a técnica do IIIP como modificador da superfície tratada para aumento da resistência à fluência. Tais estudos já iniciados foram efetuados submetendo-se a liga com diferentes estruturas, obtidas através de tratamentos térmicos, às condições de fluência e avaliando-se os efeitos dos tratamentos térmicos. Os resultados preliminares indicaram que as estruturas de Widmanstätten e Martensita apresentaram maior resistência à fluência. Para este trabalho, partiu-se destas estruturas, nas quais suas superfícies foram modificadas através do processo IIIP-N e expostas a condições de fluência às temperaturas de 500C e 600C. Os ensaios de fluência foram realizados na modalidade de carga constante a 319 MPa para a temperatura de 500C, e na faixa de 125 MPa a 319 MPa para a temperatura de 600C. Foram obtidos conjuntos de curvas e parâmetros experimentais relativos às regiões primária, secundária e terciária, em função das tensões e temperaturas aplicadas. Foram avaliados a ductilidade, a taxa de fluência estacionária e o tempo de vida. A liga apresentou um comportamento típico de fluência, com a presença dos três estágios característicos de fluência, em todas as condições de ensaio a que foi submetida. A estrutura resultante do tratamento térmico associada ao IIIP que apresenta menor taxa de fluência secundária é a de Widmanstätten. Verifica-se também que a associação do IIIP ao tratamento térmico promove um aumento na resistência à fluência quando se comparado à liga somente tratada termicamente. A condição Widmanstätten+IIIP apresenta expoente de tensão a 600C igual a 5,12; a condição Martensita+IIIP, 3,80 e a condição Equiaxial+IIIP, 3,23. A energia de ativação para fluência encontrada para a condição Widmanstätten+IIIP é de ~ 300 kJ/mol, para Martensita+IIIP, ~ 295 kJ/mol e para Equiaxial+IIIP, ~ 280 kJ/mol. Com base nos valores de expoente de tensão e energia de ativação para fluência pode-se sugerir que o mecanismo de fluência para este trabalho está associado à escalagem e escorregamento de discordâncias. As análises fractográficas indicam que o mecanismo predominante é caracterizado pela formação e coalescência de microcavidades, com o mecanismo de fratura dúctil para todas as condições.

A finalidade deste trabalho é modificar as propriedades superficiais da liga Ti-6Al-4V, com o intuito de obter melhorias nas suas propriedades tribológicas e de biocompatibilidade, para possível aplicação em válvulas cardíacas mecânicas. O processo utilizado é o IIIP (Implantação Iônica por Imersão em Plasma), onde as amostras tridimensionais podem ser tratadas homogeneamente. As amostras da liga de titânio são implantadas por intervalos de tempo entre 15 e 120 minutos e, posteriormente, caracterizadas pelas técnicas: espectroscopia Auger, "ball-on-disc", EDX, rugosidade e nanoindentação. Constata-se que há dificuldades na caracterização de amostras tratadas por esse processo, havendo necessidade de utilização de técnicas especiais para que se possam obter dados confiáveis sobre as características físico-químicas das superfícies tratadas. A técnica de espectroscopia Auger confirma a presença de nitreto de titânio na superfície das amostras, porém mostra que a camada modificada é delgada, com espessura em torno de 40 nm, para amostras com tratamento igual ou superior a 60 minutos de implantação. Apesar de a camada ser muito fina, verifica-se que suas propriedades mecânicas são modificadas conforme a expectativa prevista em literatura. A melhora das propriedades tribológicas fica confirmada através do ensaio esfera sobre disco ("ball-on-disc"), com o coeficiente de atrito baixando da faixa de 0,7, na amostra sem tratamento, para em torno de 0,15 - 0,2 para a amostra tratada por 45 minutos. Com auxílio da técnica de nanoindentação, observa-se que as propriedades mecânicas são melhoradas com aumento da dureza em torno de 50% em relação ao original. Esses valores estão dentro da faixa de valores obtidas por outros pesquisadores, por meio de tratamento realizado com o uso do mesmo tipo de processo de implantação iônica. A presença de nitreto de titânio na superfície da liga é também confirmada por EDX, e ainda pode-se constatar a uniformidade do processo através da microestura observada com auxílio de um MEV e da observação de rugosidade constante por todo o corpo-de-prova. Com esses resultados pode-se confirmar que o processo IIIP altera com eficiência as propriedades superficiais da liga Ti-6Al-4V como esperado, possibilitando prosseguir os estudos do seu comportamento de biocompatilidade, para futuras aplicações práticas, como almejado.

Este trabalho, focado na investigação dos fenômenos das camadas eletrostáticas, revê camadas simples e duplas, já estudadas por outros autores, e avança nessa questão, modelando, descrevendo e simulando o fenômeno da camada eletrostática dupla em estruturas de plasma triplo (capítulo V), diversas vezes observado em laboratório, especificamente em jato de plasma sob constrição.Descreveremos a estrutura de plasma triplo, consistindo de um plasma central localizado entre dois plasmas. Os plasmas são atravessados pela mesma corrente e o confinamento do plasma central é governado por camadas duplas formadas nas interfaces com as vizinhanças dos plasmas. Estas estruturas têm sido observadas em constrições de fontes de plasma, onde se induz a formação do plasma central na região de constrição geométrica que separa uma coluna de plasma ordinário de um feixe de plasma. Um modelo unidimensional baseado no método de BGK é usado para simular o perfil de potencial axial das camadas duplas. As equações do fluido que descrevem a dinâmica das partículas livres e aprisionadas são acopladas através dos parâmetros em comum das duas camadas duplas, da corrente de descarga através dos plasmas, temperatura dos elétrons e densidade do plasma central. Dados experimentais obtidos de coluna positiva de fontes de plasma sob constrição foram usados para alimentar nosso modelo e simular numericamente o perfil do potencial. O perfil apresentado mostra que a queda de potencial através das camadas duplas pode ser causada pela energia dos feixes partículas livres na corrente de plasma.

Inicialmente apresenta-se alguns conceitos básicos da mecânica estatística de não-equilíbrio necessários para melhor compreensão deste trabalho. Efetua-se um estudo sistemático da descrição cinética de plasmas completamente ionizados baseando-se em dois formalismos distintos. O primeiro é baseado na dinâmica da densidade microscópica de partículas e denominado de método dos momentos estatísticos de Klimontovich. O segundo, desenvolvido por Prigogine e Balescu, é denominado de dinâmica das correlações. Procura-se expor o assunto de modo didático e mostra a relação íntima que existe entre os dois formalismos. Começando com a equação de moviemnto para uma carga de prova deslocando-se num plasma completamente ionizado, e aplicando a técnica da órbita não perturbada de Thompson-Hubbard, analisa-se microscopicamente a origem dos termos de polarização e estatísticos da potência de frenamento devido à interação da carga de prova com o plasma. Inicia-se também como calcular estes termos utilizando tanto o formalismo de Klimontovich como o formalismo da hierarquia BBGKY. Como uma aplicação do formalismo cinético de Klimontovich, calculou-se explicitamente o componente estatístico da potência dissipada por uma carga de prova decorrente da interação com um plasma completamente ionizado e com um campo externo de um laser. Com base no modelo cinético de Vlasov-Poisson, inicialmente obteve-se a expressão para o poder de frenamento do plasma sob a influência de um laser em resposta ao movimento de um feixe de partículas. Aplicou-se a expressão obtida para o caso particular de um feixe constituído de duas cargas de prova. Calculou-se, então, para este caso particular, tanto o efeito do laser como o efeito da correlação entre as partículas do feixe sobre o poder de frenamento do plasma.

Esta tese de Doutorado em engenharia trata do desenvolvimento de um sistema de controle inteligente do tipo neural, capaz de atuar em tempo real no controle do deslocamento do plasma no Experimento Tokamak Esférico (ETE). A máquina ETE encontra-se em operação desde novembro de 2000, no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) na cidade de São José dos Campos, SP, Brasil. O experimento é dedicado ao estudo do confinamento magnético do plasma de fusão, em uma configuração propícia à construção de futuros reatores. A fusão nuclear é uma fonte de energia renovável e de baixo impacto ambiental, que visa utilizar a energia contida nos átomos com fins pacíficos, para o desenvolvimento sustentável da humanidade. Uma das questões relevantes para a consecução dos reatores de fusão está relacionada com a estabilidade do plasma e o controle de sua posição durante a operação. Assim, o desenvolvimento de sistemas de controle do plasma em tokamaks constitui um avanço tecnológico necessário para a viabilização da fusão nuclear. A pesquisa realizada nesta tese, em particular, diz respeito à proposição de um sistema para controlar o deslocamento vertical do plasma no tokamak ETE, procurando tornar os disparos nesta máquina mais estáveis. Como parte deste trabalho foi desenvolvido um sistema de Levitação Magnética (MagLev), permitindo estudar-se o comportamento não-linear deste dispositivo que, sob o aspecto do controle de posição, é similar (análogo) ao do plasma no tokamak ETE. O sistema de levitação magnética foi projetado, construído e modelado computacionalmente para testar os controladores dos tipos clássico e inteligente. Os resultados obtidos nesta comparação mostraram-se muito promissores para a aplicação dos controladores inteligentes, tanto no tokamak ETE como em outras aplicações de controle.

Materiais com comportamento adequado em temperaturas elevadas e ambientes agressivos tornaram-se uma necessidade científica, tecnológica e economicamente viável nos dias de hoje. A literatura relata estudos que têm sido realizados, independente de objetivos comerciais, para o aprimoramento na obtenção de novas ligas e, principalmente, para a reavaliação de ligas comerciais já existentes, por meio da aquisição de dados em condições de maior severidade. Neste trabalho de doutorado, dá-se continuidade às pesquisas já iniciadas nos estudos de fluência da liga Ti-6Al-4V, estudando-se a influência do tratamento superficial de Implantação Iônica por Imersão em Plasma (IIIP) com diferentes tempos de implantação para a modificação das propriedades superficiais da liga Ti-6Al-4V, com intuito de se obter melhorias nas propriedades tribológicas e na resistência à fluência do material. A liga selecionada (Ti-6Al-4V) foi submetida ao tratamento de IIIP para a implantação de íons de nitrogênio, objetivando-se a formação de uma camada superficial de TiN. As amostras foram caracterizadas pelas técnicas de espectrometria Auger, Raman, desgaste, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, rugosidade superficial (AFM) e nanoindentação. A liga também foi submetida a ensaios de fluência nas temperaturas de 500, 600 e 700C na modalidade de carga constante. Estudos completos de ensaio de fluência da liga refratária Ti-6Al-4V tratada com implantação iônica por imersão em plasma são escassos na literatura. Pelos resultados obtidos comprova-se a formação de nitretos superficiais nas amostras. Os valores de rugosidade e dureza superficial aumentam quanto maior o tempo de implantação, devido à formação de TiN, diminuindo analogamente o seu coeficiente de desgaste. As amostras com IIIP de 3 e 8 horas apresentam uma menor resistência à fluência quando comparadas com as amostras sem tratamento. Esta menor resistência à fluência é comprovada pela maior taxa de fluência estacionária e à diminuição do tempo de fratura do material, podendo estar relacionada à formação de nitreto de titânio na superfície do material. Devido ao aumento da dureza superficial, promovem um comportamento mais frágil à liga, diminuindo a sua resistência à fluência. Nas amostras com tempo de implantação de 2 horas, a fina camada de nitreto formada não alterou de forma o comportamento dúctil da liga, agindo como uma proteção à oxidação da liga quando submetida em temperaturas elevadas e melhorando seu desempenho em fluência. A correlação dos valores de expoente de tensão e energia de ativação para a região estacionária sugere que o mecanismo de fluência nesse trabalho está associado à escalagem e escorregamento de discordâncias.