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El ININ hoy Aplicaciones de descagas de PLASMAS Por Joel Pacheco Sotelo (jps@nuclear.inin.mx) Introducción Este trabajo intenta proporcionar un escenario de algunas aplicaciones recientes de las descargas de plasma. Existen aplicaciones tradicionales, muy bien establecidas y consolidadas (grabado y limpieza por plasma, depósitos en películas delgadas, tratamiento de superficies, endurecimiento de materiales); sin embargo recientemente los plasmas han incursionado en campos tan diversos y sorprendentes que sería difícil realizar un compendio de los mismos, por lo que sólo se tratarán algunas aplicaciones relativamente desconocidas pero que tienen un elevado impacto a nivel de investigación y aplicación comercial. El mecanismo de iniciación y sostenimiento de una descarga es por lo regular complicado. Brevemente podemos decir que se logra con la aplicación de un campo eléctrico que excita las partículas, ionizando un cierto porcentaje de portadores los cuales transmitirán su energía en función de las características particulares del proceso de aplicación. Tanto las descargas eléctricas en corriente continua (DC) como en alta frecuencia (RF), presentan una característica particular del plasma, ya que su impedan4 Contacto Nuclear cia dinámica es negativa, lo que dificulta su control y estabilidad. Sin embargo al superar este problema las ventajas son múltiples, ya que los volúmenes de plasma generados por corriente alterna son superiores y pueden adaptarse a varias morfologías (en el caso de plasma DC normalmente es una columna cilíndrica). Además los tiempos de permanencia de las partículas dentro del plasma resultan más prolongados, lo que permite lograr aplicaciones muy importantes como en espectroscopía óptica, fuentes de iluminación, tratamiento de compuestos tóxicos y síntesis de nuevos materiales, entre otras aplicaciones. Hacia nuevas fuentes de iluminación En su intento de reproducir artificialmente la luz solar, el hombre recurre a dos alternativas para excitar la materia. La primera es por incandescencia, es decir, la producción de luz por calentamiento de un cuerpo, método que es de bajo rendimiento. La segunda es por fosforescencia o fluorescencia, de alto rendimiento. Consiste en producir luz sin calentar los cuerpos mediante descargas que ionizan los gases aprovechando la movilidad de los electrones así como la propiedad de lograr líneas espectrales muy definidas en base a la selección apropiada del gas a ionizar. K En una lámpara convencional el filamento se conecta a una corriente eléctrica y mientras no se funda, se logrará una emisión luminosa estable. En el caso alternativo, se aplica un campo eléctrico y el flujo de corriente se establece por la ionización de un gas; en esta situación el aumento en el número de electrones provoca un gran incremento en la conductividad del gas, el cual deberá limitarse mediante un elemento que controle eficazmente el flujo de corriente. Este elemento adicional es justamente el convertidor resonante [1, 2] a alta frecuencia que permite una interacción energética óptima entre la red y la carga, además de facilitar la ionización para la utilización de diferentes tipos de lámparas de baja, media o alta presión; de sodio, o de mercurio, con o sin electrodos. Para tener una mejor idea del impacto de esta última aplicación, basta decir que cada día más de 7.5 billones de lámparas operan en el mundo, consumiendo 1000 TWhr que significa el 10% del total de energía eléctrica mundial. De esto se desprende la importancia de que ante tal consumo haya una interacción óptima entre las fuentes de excitación y la descarga de gases así como un control adecuado de la repartición espectral y del rendimiento de la energía luminosa. La tendencia actual consiste entonces en desarrollar convertidores de iluminación alternativos a la lámpara convencional de filamento, cuyo rendimiento es extremadamente pobre (sólo 5 al 10% de la energía aplicada, se convierte en energía luminosa). ¿Lámparas inalámbricas? El pionero de estos dispositivos fue Nikola Tesla, quien en 1891 produjo una descarga luminosa sin necesidad de electrodos, aplicando un campo de radiofrecuencia a una cápsula de gas conteniendo mercurio. En 1907, P. C. Hewit registró la primera patente retomando la idea de Tesla, la cual fue perfeccionada en 1936 por Bethenod y Claude [3]. Pasaron varias décadas de investigación hasta que los progresos en dispositivos electrónicos eficientes y la comprensión de procesos fundamentales en las descargas de plasmas RF produjeron la primera lámpara comercial sin electrodos. Los electrodos de las lámparas convencionales limitan la vida de la lámpara debido a la evaporación causada por el bombardeo iónico. La eliminación de electrodos abre grandes posibilidades ya que se incrementa la vida de operación hasta 5 veces (100,000 horas de operación) y la eficiencia y luminosidad espectral son ampliamente mejoradas. Permite además configurar nuevas geometrías de lámparas, y se incrementan los valores de la presión y la composición de los gases. Ante estas grandes ventajas existe el gran inconveniente del costo inicial de la lámpara, el cual se estima podrá ser más competitivo con la miniaturización de sus componentes en los años venideros para así volverse más accesibles en aplicaciones domésticas e industriales [4]. ¿Lámparas capacitivas? Este tipo de lámparas funciona bajo el principio de descargas en barrera dieléctrica (DBD), desarrollado originalmente por Werner von Siemens en 1857 como un K Contacto Nuclear # método para crear ozono. Está caracterizado por la presencia de uno o más dieléctricos, dispuestos entre los electrodos de tal manera que se producen microdescargas multifilamentares en forma aleatoria y con duración de algunos nanosegundos [5]. Se requiere la aplicación de un campo eléctrico alternativo de alta frecuencia. Los canales de las microdescargas colisionan con electrones y los átomos de gases raros produciendo especies excitadas que generalmente emiten radiación UV, la cual es convertida a luz visible mediante un revestimiento de fósforo. De los gases raros usados el xenón ha confirmado ser el más eficaz. En 2002, la compañía Osram produjo la primera lámpara capacitiva a base de Xe con una vida promedio de 100,000 h, completamente plana y con espesor de 8.5mm (Ver Figura 1), libre de mercurio o de cualquier otro gas tóxico [6]. Actualmente hay muchos laboratorios que continúan investigando en nuevos compuestos de revestimiento a base de fósforo y nuevas técnicas de excitación de campo eléctrico para aumentar su eficiencia lumínica, abatir los costos de producción y dar origen a una fuente luminosa con las ventajas ya alcanzadas [7]. Figura 1. Lámpara capacitiva cente basado en la emisión de electrones de un material a base de nanoestructuras de carbón (Ver Figura 2), con niveles de luminiscencia instantánea comparable a los comerciales pero sin utilizar mercurio u algún otro material que requiere normalmente una etapa de calentamiento. El material emisor es un catalizador de acero depositado en alambres de Kantal expuesto a una descarga de plasma con gas acetileno, el carbón sublimado y convertido en nanoestructuras de 20nm de diámetro cubre el material resultando una película muy eficiente para emitir electrones. La luminis- Reencuentro con la lámpara de Edison El desarrollo y síntesis de nuevos materiales nanoestructurados avanza silenciosamente hacia la posibilidad de desarrollar una fuente de iluminación similar a la de Edison, pero desde luego, con rendimientos energéticos elevados. Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausanne, Suiza [8], han construido un tubo luminis- 6 Contacto Nuclear Thomas A. Edison (1) cencia obtenida es de 10,000 cd/m2 la cual puede aún mejorarse agregando una capa de fósforo y sellando el dispositivo sin necesidad de hacer vacío [9]. Figura 2. Lámpara luminiscente a base de nanoestructuras de carbón Aplicaciones biomédicas ¿el fin del láser? equilibrio térmico a temperaturas ambientales, la cual es utilizada para el tratamiento de tejidos vivos, esterilización, cavidades dentales y el tratamiento de células cancerosas [9]. En contraste con los procedimientos tradicionales mecánicos, térmicos o por Laser, esta nueva técnica no daña el tejido sano ni provoca necrosis; pues se ha comprobado que a pesar de fragmentar la célula, el citoplasma no se libera y no se induce una reacción inflamatoria en el tejido [10]. Otra posibilidad y de acuerdo a la potencia de la micro-cámara es que puede ser utilizada también como herramienta de corte para materiales dieléctricos, corte y/o extirpación de tejidos dañados, coagulaciones, (2) aptosis y en general microcirugía sin dañar tejidos cercanos. En estas aplicaciones se favorece la coagulación usando plasma de argón a frecuencias de 100 a 350 Khz, con suministro del gas de 0.1 a 4 lt/min, potencia de 40 a 100 W y campos eléctricos de 500 a 5000 V/mm [11]. Figura 3. Microcámara para microcirugía Un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Holanda, ha incursionado en aplicaciones biomédicas desarrollando dispositivos y micro-cámaras de radiofrecuencia a potencias menores de 1 W; (ver Figura 3), a la que ocurren descargas de plasma fuera de (1) Cd = candela. La candela es la intensidad luminosa en una dirección determinada de una fuente que emite radiación monocromática de una frecuencia de 540 x 1012 hertz y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 watts por esteroerradián. (Azorín, Juan.- (2004) El sistema internacional de unidades, p. 18) N. del E. (1) Aptosis. Proceso especializado de muerte celular programada. Contacto Nuclear % Aplicaciones ambientales (no más mercurio) Las descargas de plasma en lámparas de mercurio se han venido usando comercialmente a lo largo de los últimos diez años para la purificación de agua, debido a la acción germicida del mercurio en la banda de 253.7nm. Recientemente se ha encontrado que las descargas DBD en molécu(3) las de exímeros (Xe 2*, Kr2*, Ar2*, XeCl*, KrCl*) aumentan la acción germicida hasta un 25% [12] dado que la foto-emisión cubre un intervalo amplio de 80 a 350nm y las microdescarga tipo multifilamentar ocurren estocásticamente con duración de vida de solamente algunos nanosegundos. La excitación de descargas por pulsos de corta duración en una lámpara de Xe 2* (172nm) aumenta la eficiencia hasta por un factor de tres con respecto a una excitación de corriente alterna. La emisión pulsante de energía UV desactiva la resistencia de ciertos patógenos como Cryptosporidium, Giardia, E. coli, Legionella, Micobacterium, entre otras, pues rompe su estructura ADN sin alterar otras propiedades como sabor y olor. Gracias a este proceso se puede purificar agua en unos cuantos segundos y con una energía varios miles de veces más reducida que la requerida para hervir el agua [13]. (3) Exímero. palabra del idioma inglés, creada por Stevens y Hutton en 1960 y que precede de «excited dimer» y que significa un dimero excitado. Combinación de dos átomos, un átomo de halógeno y un átomo de gas inerte unidos en un estado excitado, altamente inestable y la descomposición de estas moléculas se acompaña de la emisión de un fotón de alta energía de luz ultravioleta. 8 Contacto Nuclear Vitrificación de residuos radiactivos Esta no es una aplicación reciente, pero en virtud de su gran impacto y la relación existente con nuestro campo de trabajo se describe brevemente aquí, considerándola como una gran alternativa para permitir la disposición final de desechos radiactivos de nivel bajo e intermedio (DRNBI). En la actualidad, las actividades científicas, médicas e industriales, entre otras, generan una gran cantidad de DRNBI. Estas actividades se realizan en centros de investigación, instituciones educativas de nivel superior, hospitales del sector público y privado, industrias y desarrollo de tecnología. El tratamiento de estos residuos por vitrificación mediante descargas de plasma, ofrece múltiples ventajas, ya que en un solo proceso se conjuntan una elevada densidad energética (10 5W/cm 3 ), una alta entalpía para favorecer y acelerar reacciones cinéticas, una elevada reactividad quí(4) mica, un rápido quenching (106K/s) [14] y temperaturas elevadas (4,000 a 15,000 °K). Con estas características se puede lograr el tratamiento de prácticamente cualquier material. Los reactores son compactos y trabajan a presión atmosférica o reducida, con bajo costo de capital y una inercia térmica reducida. Esta tecnología, además de tratar los DRNBI, permite contenerlos en una matriz vítrea para su disposición final, con una reducción de volumen considerable (Fig. 4). (4) Quenching. Proceso de regulación de temperatura (temple) en un material, con efectos en distribución de tensiones, transformación de fases, dureza, etc. Conclusiones Figura 4. Vitrificación por alta frecuencia El campo de aplicaciones de descargas en gases se extiende día con día, gracias a sus características favorables que se pueden acoplar a un sinnúmero de procesos. A pesar de que es imposible aglutinar todos sus campos de investigación en una sola institución, podemos afirmar que el ININ concentra las aplicaciones más diversas de las descargas de plasma en el país y desarrolla la mayoría de los proyectos aquí mencionados (y otros más mencionados en anteriores publicaciones), colocándose en un polo de desarrollo en el campo de plasma y sus aplicaciones. Referencias 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. J. L. Tapia , J. Pacheco, M. Pacheco, G. Sizzis, J. J. 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