Appunti applicazioni Industriale dei plasmi

TORCIA RF Inductive Coupled Plasmas (ICP)

Il principio di funzionamento delle torce RF (per induzione a radiofrequenza) è lo stesso del riscaldamento ad induzione, ovvero è un processo che si utilizza per riscaldare materiali conduttivi e si basa sul concetto di far fluire una corrente ad alta frequenza in una spira, generando un campo magnetico all'interno del materiale conduttivo. Questo provoca la circolazione di corrente che riscalda il materiale per effetto Joule.

Il vantaggio principale di questo processo è la rapidità del riscaldamento. Un concetto strettamente legato all'accoppiamento di induzione è quello dello skin effect: un fenomeno fisico in cui, se una corrente alternata circola all'interno di un conduttore, la massima densità di corrente si trova sulla superficie del conduttore, diminuendo esponenzialmente verso l'interno.

skin depth è la regione (spessore) nella quale si registra una densità di corrente pari a 1/e rispetto alla superficie (con e costante di Eulero). Dalla formula si nota che maggiore è la frequenza minore sarà lo spessore dello skin depth (δ).

Il passaggio di corrente alternata nel conduttore genera un campo magnetico alternato che a sua volta genera una corrente ad esso concatenata che in alcuni punti si oppone alla corrente iniziale e in altri è concorde. Nelle regioni più vicine alla pelle del conduttore ho un incremento della densità di corrente e una maggiore schermatura quando ci si avvicina all'asse (perché si oppone alla corrente generatrice).

I primi studi dedicati al riscaldamento per induzione di gas quindi conduttori ma non più metallici risalgono alla fine del l'Ottocento. Tesla nel 1891 realizza una forza elettromotrice in un tubo a vuoto grazie a un'induzione elettromagnetica ovvero un

accoppiamento induttivo. I primi studi sui sistemi plasma ad accoppiamento induttivo a pressione atmosferica verranno realizzati solo intorno al 1946. In questi studi è già evidente l'effetto pelle. Si nota nei grafici rappresentati da ricercatore un picco di corrente decentrata rispetto all'asse, inoltre il campo magnetico è schermato sull'asse della torcia perché la corrente si oppone inverso alla corrente iniziale e tale corrente forma un campo magnetico che si oppone a quello presente.

Nel 1961 per la prima volta viene introdotto da Reed il concetto di torcia. La torcia viene definita come un sistema di accoppiamento induttivo in cui ho il flusso di gas. Prima il plasma d'accoppiamento induttivo veniva generato da un gas statico e a bassa pressione, l'intuizione di Reed è stata quella di flussare un gas all'interno della torcia lavorando a p atmosferica e trovando il modo oltre a generare il gas di mantenerlo vivo.

(quest'era come il principale problema nel passaggio di gas statico a flusso).Il concetto di torcia in realtà non era completamente nuovo per torcia si intende un sistema di plasma caldo termico incui è presente un flusso di gas. Prima di Reed ciò era supportato soltanto da sistemi in corrente continua, quindi, eranecessaria la presenza di elettrodi con conseguente erosione di questi ultimi andando a introdurre dell’impurezza nelprocesso. Secondo limite della torcia in continua è il tipo di gas che si può utilizzare perché gli elettrodi sono sensibiliall'ossidazione o l'attacco chimico. L'obiettivo di Reed era quello di trovare un metodo alternativo per non introdurreimpurezza e quindi non utilizzare gli elettrodi.Gli elementi che caratterizzano il sistema di Reed sono:

• il tubo di confinamento in quarzo e la particolarità che per laprima volta il tubo di confinamento è aperto da un lato

Reed è possibile farlo tramite un'iniezione di gas tangenziale tale da creare un vortice che ha due effetti:

1. il primo essendo il vortice vicino alle pareti della camera permette di mantenere il plasma sull'asse e raffreddare le pareti,
2. il secondo generare un drop di pressione nella parte superiore della camera che un effetto di risucchio della bolla di plasma che si oppone al trascinamento verso il basso che avrebbe la portata di gas.

Quindi si ha una stabilizzazione bidirezionale verso l'asse e ad una certa altezza.

Reed distingueva due regioni di spazio:

1. nella regione del coil vi è la regione più calda,
2. la coda del plasma che è la parte di plasma che si propaga all'esterno della torcia.

Il sistema deve essere acceso in argon perché il potenziale di ionizzazione è più basso degli altri e un potenziale basso favorisce la fase di innesco e dopo la fase di innesco posso utilizzare altri gas come O2, N2, aria.

1. All'interno del plasma supponiamo temperatura uniforme e conducibilità uguale in tutti i punti,
2. per le regioni non plasma si suppone invece zona non conduttiva e la temperatura cala fino a raggiungere la temperatura di parete.

skin depht maggiore sarà la potenza ceduta in modo uniforme al plasma. Dalla definizione di skin depht sappiamo che più bassa è la frequenza maggiore è lo spessore dello skin depht e quindi più uniforme la cessione di potenza all'interno dell'ascarica.

EFFICIENZA DI ACCOPPIAMENTO

I parametri da considerare sono:

• Rn= raggio del plasma
• Rc = raggio del circuito di induzione
• δ = skin depth

L'efficienza di accoppiamento è la potenza di targa del generatore rispetto a quanta potenza viene ceduta al plasma. Essa dipende da due rapporti: eR δcR n <1 → è compreso tra zero e uno perché non posso avere un plasma con raggio maggiore rispetto alla bobina R c che lo ha generato, vi è il tubo di confinamento quindi il plasma non può andare a contatto con le spire. L'efficienza è favorita all'aumentare di questo rapporto perché sto aumentando la sezione buona di conduttore.

in cui può circolare corrente data dal campo magnetico indotto dalla corrente che circola nelle spire. L'accoppiamento è favorito se tende a1, ma in pratica si può arrivare a max 0,7-0,8. Si può massimizzare facendo upscate, ovvero aumentando le dimensioni del sistema (aumento D della torcia e D dell'aspira di induzione) al fine di avere più spazio per generare plasma, parallelamente però è necessario:

1. ridurre la frequenza di alimentazione, per aumentare lo skin depth che altrimenti non riesce a cedere la potenza necessaria per mantenere il plasma;
2. aumentare la potenza, per mantenere costante la densità di potenza perché avrò più portata di gas ma devo mantenere la densità di potenza a valori accettabili.

R n → dipende dalla frequenza della corrente del circuito di induzione. L'efficienza ha un massimo per valori di 1,5δ-4, oltre cui peggiora nuovamente.

MINIMA POTENZA DI SOSTENIMENTO

La potenza di sostentamento del plasma varia al variare della frequenza del tipo di gas e della pressione

• la potenza di sostentamento cala all'aumentare della frequenza
• aumenta all'aumentare della pressione e cioè legato al cammino libero medio degli elettroni che a maggiore pressione si riduce e quindi vi è maggior probabilità di urti.

Il gas preferenziale per l'accensione è l'argon perché richiede la minima potenza (perché il potenziale di ionizzazione è più basso degli altri e un potenziale basso favorisce la fase di innesco). È possibile iniziare con argon e dopo l'accensione quando il plasma è stabile inserire il gas di interesse e si regola la potenza per mantenere il plasma vivo.

Alcuni processi richiedono l'aumento del carico entalpico, cioè la densità di potenza all'interno del plasma. Se si vuole sfruttare il carico entalpico del gas il problema

La caratteristica dell'argon è che, essendo non molecolare, non dissocia ma ionizza due volte.