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Figura 2.6: Schema del setup tipo z con l’ausilio di specchi.

Un setup di questo tipo è stato utilizzato per analizzare una torcia ICP (Inductive

Coupled Plasma) funzionante a 13,56MHz e con una potenza di 500W.

Figura 2.7: Immagini ottenute con tecnica Schlieren.

Nell’immagine 2.7 si possono notare gli effetti del diverso posizionamento della

lamina: nella prima immagine, partendo da sinistra, la lamina è posizionata

verticalmente, per cui la selezione dei raggi luminosi è compiuta lungo l’asse x,

secondo il sistema di riferimento riportato nell’immagine 2.5. Nella seconda e terza

immagine la lamina è posizionata orizzontalmente, dunque la selezione dei raggi

luminosi è compiuta lungo l’asse y.

Questo consente di osservare, nel primo caso, le variazioni radiali, rispetto all’asse

della torcia, del profilo del plasma, mentre nel secondo e terzo caso si possono

osservare le variazioni assiali del profilo di plasma.

Con questo metodo si può dunque indagare qualitativamente il comportamento

fluidodinamico della scarica di plasma al variare di alcuni parametri operativi, come

la portata di gas e la pressione.

Capitolo 3

Tecniche di caratterizzazione

3.1Fourier Transform Infrared Spectrometry FTIS

La spettroscopia IR a trasformata di Fourier, o in forma abbreviata FT-IR, viene

realizzata sfruttando un interferometro che permette la scansione di tutte le

frequenze presenti nella radiazione IR generata dalla sorgente (quasi esclusivamente

le globar).

L’interferometro di Michelson è la tipologia più comune di interferometro e prende

il nome dall’inventore, Albert Abraham Michelson. Una figura d’interferenza è

ottenuta suddividendo, indirizzando su percorsi diversi, e facendo convergere

nuovamente un fascio di fotoni. I due percorsi devono avere lunghezze differenti, o

avvenire in materiali diversi, in modo che sia notevole uno sfasamento nel cammino

ottico dei due fasci suddivisi.

Figura 3.1: Schema di funzionamento dell’interferometro di Michelson.

35

14 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

La scansione è possibile grazie a uno specchio mobile che spostandosi introduce una

differenza di cammino ottico, che origina un’interferenza costruttiva o distruttiva con il

raggio riflesso da uno specchio fisso. In questo modo si ottiene un interferogramma che

mostra la rappresentazione dell’intensità nel dominio del tempo. Applicando la

trasformata di Fourier un calcolatore permette di ottenere lo spettro infrarosso, ovvero

la rappresentazione dell’intensità nel dominio della frequenza. In questo tipo di

strumenti è presente anche un laser He-Ne che emette luce rossa (632,8 nm) e serve a

misurare la posizione esatta dello specchio ed è utilizzato anche per il campionamento

del segnale.

Dapprima viene misurato lo spettro senza alcun campione (la scansione del

background): in questo modo si può misurare la quantità di luce trasmessa dall’apparato

alle diverse frequenze. Successivamente si inserisce la sostanza da analizzare fra la

sorgente e l’interferometro: la nuova misurazione, dopo la trasformata di Fourier e la

sottrazione del background, corrisponderà allo spettro di assorbimento desiderato.

L’intera operazione può essere eseguita in tempi molto rapidi, essendo il calcolo della

trasformata di Fourier molto veloce sui computer moderni. Quando un fotone infrarosso

viene assorbito da una molecola, questa passa dal suo stato vibrazionale fondamentale

ad uno stato vibrazionale eccitato. Se un materiale è trasparente alla radiazione

infrarossa il suo spettro si presenterà come una linea parallela all’asse delle ascisse. Se

un materiale non è completamente trasparente si verificheranno degli assorbimenti e

quindi delle transizioni tra livelli energetici vibrazionali. In questo secondo caso lo

spettro registrato sarà caratterizzato da una serie di picchi di altezza variabile per

ciascuna transizione.

Figura 3.2: Esempio di spettro ottenuto con tecnica FITR.

Lo spettro infrarosso si può suddividere in tre diverse zone: 15

3.2. SPETTROSCOPIA FOTOELETTRONICA A RAGGI X

• zona dei gruppi funzionali, che si estende da 3800 a 1300 cm-1 e comprende

bande dovute sia a stiramenti che a deformazioni di gruppi funzionali (per

esempio legami N-H, O-H, C-H, C=C, C=O, N=O, ecc.), con quest’ultimi compresi tra

−1

1600 e 1300 cm . È da notare che i legami con l’idrogeno si trovano a frequenze

molto alte per via della massa molto ridotta di quest’atomo;

• −1

zona delle impronte digitali, da 1300 a 650 cm e che deve il suo nome alla

presenza di bande strettamente caratteristiche di ciascuna singola molecola in

quanto originate da vibrazioni corali dell’intero scheletro molecolare;

• −1

zona del lontano IR, che si estende da 650 a 200 cm e presenta bande dovute a

stiramenti di atomi pesanti, deformazioni di gruppi privi di idrogeno e vibrazioni

di scheletro.

I picchi risultanti si distinguono fra acuti e ampi: questi ultimi in particolare riflettono

il carattere di un legame che può vibrare in un raggio di frequenze a seconda

dell’ambiente chimico in cui si trova (notevole il caso del legame a idrogeno che produce

−1

un riconoscibile picco fra 3000-3500 cm ).

3.2Spettroscopia fotoelettronica a raggi X

La spettroscopia fotoelettronica a raggi X, comunemente indicata con XPS o XPES

(acronimo dell’inglese X-ray photoelectron spectroscopy), è una tecnica di spettroscopia

fotoelettronica utilizzata per sondare le superfici dei materiali. Essa consente infatti di

conoscere gli elementi chimici che compongono la superficie di un materiale e di

determinarne talvolta lo stato di legame.

Il campione viene irraggiato con una sorgente di raggi X monocromatica. I fotoni entrano

nel materiale e subiscono varie interazioni, tra le quali l’effetto fotoelettrico e

l’emissione Auger. In entrambi i casi un elettrone viene espulso dal materiale con una

energia cinetica legata alla energia di legame dello stesso.

Misurando l’energia cinetica dell’elettrone espulso si risale alla sua energia di

legame, indicativa dell’elemento chimico interessato, secondo la formula:

E = hν − K − Φ (3.1)

B

E hν K

dove è l’energia di legame, l’energia dei fotoni incidenti, l’energia cinetica

B Φ

dell’elettrone e la funzione lavoro dello spettrometro. Nel caso di analisi di un solido,

la tecnica permette di analizzarne i primi strati atomici (una profondità di qualche

nanometro), poiché solo gli elettroni eccitati in prossimità della superficie riescono a

fuoriuscire dal campione senza subire interazioni con conseguenti perdite di energia e

quindi mantenendo l’informazione che trasportano. Gli elettroni fotoemessi devono

essere analizzati in energia, occorre cioè uno strumento che raccolga gli elettroni emessi

16 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

dalla superficie del campione e misuri l’energia cinetica di ciascuno di essi, ovvero in altri

termini misuri per ogni energia cinetica quanti fotoelettroni sono stati emessi dal

campione. Questo strumento è detto analizzatore di elettroni ed è costituito da una

lente elettrostatica, da un condensatore emisferico e da un rivelatore di elettroni. La

lente elettrostatica è costituita da una serie di cilindri a potenziali elettrostatici regolabili

diversi, il cui compito è quello di raccogliere gli elettroni emessi entro un certo angolo e

convogliarli all’ingresso del condensatore cilindrico: questa porzione dello strumento è

detta lente proprio perché agisce come una lente ottica, focalizzando gli elettroni

raccolti in un punto ben preciso. Inoltre essa è anche in grado di accelerare o ritardare

gli elettroni in modo da variare in modo controllato l’energia cinetica con cui essi

giungono all’ingresso del condensatore elettrostatico.

Figura 3.3: Schema del sistema di analisi degli elettroni emessi.

Il condensatore emisferico è costituito da due armature metalliche emisferiche, a cui

viene applicata una differenza di potenziale variabile. La traiettoria degli elettroni

all’interno delle armature del condensatore dipende sia dal valore di questa differenza

di potenziale, sia dalla energia cinetica di ingresso degli elettroni stessi. Questo fa si che

gli elettroni possano essere selezionati in energia, perché solo quelli con una certa

∆V

energia cinetica (detta pass energy, energia di passaggio, e legata al valore di fra le

armature) avranno una traiettoria tale da attraversare tutta l’emisfera, arrivando

all’uscita, mentre gli altri urtano contro le armature e si perdono. All’uscita dell’emisfera

un rivelatore di elettroni misura la quantità di elettroni che incidono su di esso. I valori

delle differenze di potenziale sulla lente elettrostatica e sulle armature del condensatore

sono controllati attraverso un computer: variando il potenziale ritardante o accelerante

della lente è possibile fare in modo che giungano all’ingresso del condensatore con la

corretta pass energy gli elettroni che inizialmente hanno una certa energia cinetica E :

0

17

questi saranno quelli rivelati dallo strumento, mentre tutti gli altri andranno persi. Lo

strumento

3.3. INDUCTIVELY COUPLED PLASMA OPTICAL EMISSION SPECTROMETRY39

si comporta cioè da filtro energetico, facendo passare fino al rivelatore solo gli

elettroni con energia cinetica iniziale voluta. Variando il potenziale delle lenti

si varia il valore di E 0, ottenendo così lo spettro energetico desiderato

Figura 3.4: Esempio di spettro ottenuto con tecnica XPS.

3.3 Inductively Coupled Plasma Optical Emission

Spectrometry

Nella spettrometria di emissione ottica con un plasma accoppiato

induttivamente un campione, nebulizzato, viene immesso nella scarica di

plasma: l’elevata temperatura, oltre a causare una dissociazione delle

molecole in atomi porta ad ottenere eventi di ionizzazione ed eccitazione per

collisione degli atomi introdotti. Gli atomi, trovandosi in uno stato eccitato,

possono decadere in uno stato a minore energia attraverso l’emissione di

energia in forma termica o radiativa. L’intensità della luce emessa a specifiche

lunghezze d’onda viene misurata ed utilizzata per determinare le

concentrazioni degli elementi di interesse. Poichè gli atomi emettono

radiazione luminosa a differenti lunghezze d’onda l’emissione del plasma

risulta essere policromatica; occorre allora isolare la radiazione per ciascuna

lunghezza d’onda in modo da poter identificare le specie chimiche che l’hanno

emessa.

La luce emessa va ad incidere su un reticolo di riflessione-diffrazione: questo è

uno specchio avente una superficie seghettata; in questo moto la luce viene

18 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

diffratta con un angolo che dipende dalla lunghezza d’onda della luce.

Generalmente maggiore è la lunghezza d’onda e maggiore è l’angolo di

diffrazione. Da questo specchio si ottengono allora dei fasci di luce

monocromatica; questi vengono indirizzati verso uno schermo che ha lo scopo

di far passare solo uno o più fasci di luce: nel primo caso si avrà un

monocromatore, nel secondo un policromatore.

Figura 3.5: Un monocromatore.

Figura 3.6: Un policromatore; immagine tratta dal brevetto US 4571074 A Spectrometry

device for analyzing polychromatic light. 19

La luce così separata entra in un tubo fotomoltiplicatore PMT; da questo esce un

segnale in corrente la cui intensità è legata all’intensità del fascio luminoso entrante nel

PMT; questo segnale in corrente viene trasformato in un segnale in tensione e

successivamente elaborato da un software.

3.4 Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

Nella spettrometria di massa con plasma accoppiato induttivamente si prende un

campione, di cui si vuole determinare la composizione, e lo si immette nella scarica di

plasma dopo averlo fatto nebulizzare. In seno al plasma il campione subisce la

vaporizzazione e l’atomizzazione degli atomi presenti; questi vengono in seguito

ionizzati: ciascun ione sarà caratterizzato da un determinato valore del rapporto

massa/carica. Una parte degli ioni formati attraversa, in uscita dalla torcia, un foro

avente un diametro di 1mm e successivamente un foro con un diametro di 0.4mm.

Questo viene fatto per immettere gli ioni in una camera in cui si realizza un vuoto molto

spinto. Figura 3.7: Setup per la realizzazione dell’ICP-MS.

Normalmente si utilizza un sistema di pompe in serie: la prima è una pompa rotativa

e abbatte la pressione ad un livello dell’ordine di 100Pa; successivamente si fa uso di

pompe turbomolecolari per ottenere un vuoto più spinto. Prima di entrare

nell’analizzatore di massa è importante separare dal flusso di ioni i fotoni, particelle

neutre e altre particelle solide che possono essere presenti all’uscita dalla torcia al

plasma. Per fare questo si utilizzano delle lenti a passaggio ionico. Il fascio di ioni positivi

attraversa allora un analizzatore di massa a quadrupolo: questo è formato da 4 barre

20 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

parallele di metallo alimentate con una tensione continua a cui si aggiunge una tensione

alternata con frequenza dell’ordine dei MHz. Il campo elettrico così prodotto costringe

gli ioni a percorrere una traiettoria oscillante diversa per ogni valore del rapporto

massa/carica. Figura 3.8: Esempio di spettro ottenuto con tecnica ICP-MS.

3.5 Scanning Electron Microscopy

Il microscopio non sfrutta la luce come sorgente di radiazioni, ma un fascio di elettroni

primari focalizzati che colpiscono il campione. Il fascio primario non è fisso, ma viene

fatto scandire: viene cioè pilotato in sequenza, punto dopo punto, riga dopo riga, su una

piccola zona rettangolare del campione. Nell’interazione tra il fascio primario e gli atomi

costituenti il campione, vengono emesse numerose particelle, fra le quali gli elettroni

secondari. Questi elettroni sono catturati da uno speciale rivelatore e convertiti in

impulsi elettrici che vengono inviati in tempo reale, ad uno schermo. Il risultato è

un’immagine in bianco e nero ad elevata risoluzione e grande profondità di campo, che

ha caratteristiche simili a quelle di una normale immagine fotografica. 21

Capitolo 4

La fisica del plasma

4.1Plasmi: introduzione alle grandezze principali

4.1.1 Introduzione

Per plasma si intende solitamente un gas ionizzato, globalmente neutro ed

elettricamente conduttivo. Un gas tende ad assumere tali caratteristiche se portato ad

alte temperature o a basse pressioni, per tale motivo la gran parte dell’universo

conosciuto (ovvero la porzione di universo da cui possiamo ricevere informazioni

tramite radiazioni em) sembra effettivamente composto da plasma. A causa delle

caratteristiche che lo definiscono, il plasma sarà pertanto sensibile all’azione di campi

elettromagnetici Gli studi sul comportamento dei gas ionizzati hanno avuto tre grandi

nuclei di ricerca:

• Un interesse chimico per la capacità del plasma di dar luogo a specie chimiche

estremamente reattive. In particolare i plasmi vengono molto utilizzati per

produrre effettivamente specie chimiche (ad esempio ozono) o per agire

chimicamente su materiali

• Un interesse astrofisico. Date le bassissime densità dello spazio e la presenza di

radiazione luminosa capace di produrre ionizzazioni (effetto fotoelettrico) gran

parte dello spazio conosciuto è come detto composto da plasma.

• Un interesse Energetico Data le elevatissime temperature richieste per poter

avere fenomeni di fusione nucleare che impongono di operare in stato plasma.

Notiamo che fornendo indeterminatamente energia ad un sistema fisico, questo

tende a portarsi naturalmente in stato di Plasma che, per questa ragione, è spesso

definito il quarto stato della materia. Il nome Plasma è stato introdotto da Langmuir

che, studiando il comportamento dei gas ionizzati con lo scopo di ottenere ozono

notò la similitudine di caratteristiche con il plasma sanguigno.Agli studi di Langmuir

si devono molti risultati notevoli tra cui la sonda di Langmuir (Langmuir probe),

strumento ancora oggi tra i più usati per misurare : densità elettronica, temperatura

elettronica e potenziale elettronico nel plasma. Il funzionamento della Langmuir

probe si basa sostanzialmente sull’inserimento nel plasma di elettrodi a potenziale

noto, e sullo studio della caratteristica V-I dello strato di Debye (strato prossimo

all’elettrodo dove la neutralità del plasma non è rispettata a causa dell’accumulo di

ioni polarizzazione).

22 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

4.1.2 Grandezze fondamentali del plasma

Notiamo che un gas per essere definito plasma non deve necessariamente essere

completamente ionizzato(in effetti quasi solamente quelli per fusione termonucleare lo

10 10

−7 −4

sono). Il grado di ionizzazione del plasma è in genere basso e si aggira tra e .

In genere, pertanto avremo:

• elettroni

• ioni

• specie neutre

Per avere una descrizione completa del plasma dovremo pertanto ottenere delle

caratteristiche medie per tutte e tre queste macro componenti. Un interessante

classificazione del plasma è ottenibile considerando le diverse temperature e densità

numeriche dei vari tipi di plasma conosciuti. In particolare concentriamoci sulla

temperatura.

Possiamo immaginare di schematizzare ioni monoatomici ed elettroni come punti

v

materiali (o sfere rigide) e pertanto parlare di una velocità propria transizionale. Detta

tale velocità , u (4.1)

la velocità media e (4.2)

c = v−u

la velocità peculiare definiamo temperatura di una specie come: (4.3)

4.1. PLASMI: INTRODUZIONE ALLE GRANDEZZE PRINCIPALI

che evidentemente è in genere differente per elettroni ed ioni. Quando abbiamo a

che fare con molecole complesse, tuttavia l’approssimazione a punto materiale non è

più soddisfacente e risulterà necessario tenere in considerazione tutti i possibili moti

della molecola, in particolare solitamente li raggruppiamo in:

• di rotazione

• di bending

• di stratching (che a sua volta può essere simmetrico o non simmetrico rispetto alla

polarità della molecola) In generale potremo distinguere tra: 23

Per definire correttamente una temperatura in queste strutture complesse

dovremmo quindi tenere in conto tutti questi contributi, solitamente comunque ci si

limita a considerare la temperatura transizionale al pari di quanto fatto per gli elettroni.

Uno studio accurato dei vari modi vibrazionali di una molecola risulta particolarmente

importante per quanto riguarda l’interazione con onde elettromagnetiche. Limitandoci

all’influenza giocata nella generazione del plasma notiamo che molecole più complesse

presentano più modi di assorbire energia (variare la velocità di rotazione, distanza tra

atomi, tipi di legame e configurazione) e pertanto saranno, in genere più difficili da

ionizzare . Possiamo pensare ad esempio con buona approssimazione che la ionizzazione

sia il fenomeno finale di una catena di scambi energetici che passa da : eccitazione della

molecola, rottura dei legami molecolari , ionizzazione dei singoli atomi. Notiamo che

l’applicazione di un campo elettrico uniforme ha effetti molto differenti su ioni, elettroni

e neutri. In particolare gli ultimi evidentemente non avvertiranno sensibilmente il

campo, mentre gli elettroni subiranno accelerazioni notevoli (data la massa molto

piccola) e gli ioni accelerazioni più modeste. Pertanto considerando la sola energia

cinetica (transizionale) gli elettroni riceveranno un energia maggiore dal campo rispetto

agli ioni . Gli urti tra ioni ed elettroni sono responsabili di una seconda modalità di

scambio energetico nel plasma che tenderà a trasferire energia dai secondi ad i primi.

Notiamo che le caratteristiche di tali urti dipenderanno principalmente da:

• Intensità del campo Elettrico;

• Libero cammino medio degli elettroni;

• Specie chimica che dà origine al plasma;

In Genere in seguito all’applicazione di un campo Elettrico osserveremo (almeno nei

primi istanti) una distribuzione di temperature differenti per particelle pesanti (pedice

h) ed elettroni e tale differenza sarà proporzionale al campo elettrico ridotto: (4.5)

ovvero proporzionale alla radice dell’intensità del campo elettrico (che come visto

accelera in modo non uniforme ioni ed elettroni), ed inversamente proporzionale alla

radice della pressione (che può essere per noi una misura macroscopica del libero

cammino medio degli elettroni). Giocando sui tre fattori sopra elencati (in effetti la

scelta della specie chimica è spesso forzata da altre considerazioni operative) è possibile

24 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

modulare la differenza di temperatura tra elettroni e particelle pesanti. In particolare se

cerchiamo una temperatura media globale pesata sulle masse notiamo che lo stato

cinetico delle particelle pesanti diventa fondamentale. E’ comunque evidente che una

configurazione in cui le temperature ioniche ed elettroniche risultino diverse detta di

non equilibrio termodinamico locale non può essere stazionaria. Ogni plasma eccitato

da un campo elettrico uniforme tenderà nel tempo a portarsi in equilibrio i.e. a

temperature molto elevate. Come visto le temperature dipendono fondamentalmente

dalla velocità transizionale e pertanto si è soliti esprimerle in termini di energia

dell’elettrone, in particolare per plasmi in equilibrio le temperature si aggirano attorno

ad alcuni elettron volt (1 ev corrisponde a circa 11600 K). Per molte applicazioni è

necessario che il plasma coesista con un materiale alterando in modo selettivo le sue

proprietà. Per ottenere questo risultato non è evidentemente proponibile far affacciare

al materiale scariche di plasma in equilibrio termodinamico locale, si può invece agire:

raffreddando un plasma in equilibrio termodinamico (ovvero diluendolo con gas non

ionizzato), o utilizzare un plasma che non raggiunga l’equilibrio termodinamico. Per

procedere nel secondo modo è opportuno agire, come visto sul campo elettrico ridotto

ed in particolare cercare di ottenere il massimo numero di ionizzazioni mantenendo la

massima differenza possibile tra temperature ioniche ed elettroniche. I meccanismi di

ionizzazione, come accennato, sono molto complessi, tuttavia possiamo raggrupparli in

: ionizzazioni ad urto singolo ed ad urti successivi. Il primo tipo di ionizzazione necessita

di uno scambio energetico consistente tra elettrone e neutro (o ione), l’elettrone deve

infatti avere quanto meno l’energinecessaria per ionizzare la particella pesante contro

cui impatta. Dobbiamo pertanto creare le situazioni per cui , nel suo libero cammino

medio, un elettrone riceva sufficiente energia(ovvero quella di ionizzazione che

dipenderà dalla specie chimica) dal campo. Questo può essere ottenuto ovviamente

aumentando l’intensità del campo (modulo di E) od aumentando il libero cammino

medio (diminuendo la pressione). La pressione, dunque gioca un ruolo fondamentale

nella generazione di un plasma ed in genere nella caratteristiche di un plasma freddo

(per noi di non equilibrio), tuttavia notiamo come, operare a pressioni differenti da

quella atmosferica comporti non trascurabili problemi nell’implementazione industriale.

4.2. MECCANISMI DI FORMAZIONE DELLA SCARICA DI PLASMA 25

4.2 Meccanismi di formazione della scarica di plasma

Un parametro importante per determinate applicazioni industriali del plasma

riguarda l’uniformità della scarica: questa può essere omogenea oppure filamentosa

e si può avere interesse nell’una rispetto che all’altra se si vuole operare un

trattamento il più possibile omogeneo oppure concentrato in un limitato numero di

zone di una superficie.

Il plasma risulta essere omogeneo quando la sua formazione avviene seguendo il

Townsend breakdown mentre è filamentoso quando la formazione avviene secondo

il meccanismo di Spark breakdown.

Figura 4.2: Esempi di plasma omogeneo e di plasma filamentoso.

4.2.1 Townsend breakdown

Si considera di avere un campo elettrico compreso fra un catodo ed un anodo ed un

insieme di elettroni, indicati con n dove tale parametro ne indica il numero iniziale.

e0 v

Gli elettroni migrano verso l’anodo con una velocità . Muovendosi gli elettroni

d

urtano con arte particelle dando luogo, in alcuni casi, alla formazione di ioni.

Indicando con x la direzione del percorso svolto dagli elettroni, l’andamento del

numero di elettroni rispetto a tale coordinata è definito dalla relazione (4.6)

α,

dove il parametro avente la dimensione dell’inverso di una lunghezza, è

definito come (4.7)

ν

dove indica la frequenza di ionizzazione; si può allora interpretare la grandezza

i

1/α come la distanza mediamente percorsa da un elettrone tra un evento di

ionizzazione ed il successivo. A sua volta la frequenza di ionizzazione può essere

calcolata come

26 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

ν = k (E/n )n (4.8)

i i 0 0

dove n indica la concentrazione di tutte le particelle componenti il gas e k . La

0 i

α

costante può essere determinata in funzione del campo elettrico secondo la

seguente relazione: (4.9)

dove p è la pressione, E/p il campo elettrico ridotto e i coefficienti A e B sono

valori tabulati per i differenti gas, in particolare

Gas Gas

A B A B

Air 15 365 N 10 310

2

CO 20 466 H O 13 290

2 2

H 5 130 He 3 34

2

Ne 4 100 Ar 12 180

Kr 17 240 Xe 26 350

Tabella 4.1: Valori delle costanti A e B per differenti gas.

L’insieme di tutti gli elettroni forma una valanga elettronica che però non è ancora

una corrente. Indicando con d la distanza che un elettrone percorre dal catodo

all’anodo allora la quantità di elettroni prodotti per ionizzazione da un elettrone è:

(4.10)

Quando gli elettroni impattano con le particelle cariche dando luogo ad un

fenomeno di ionizzazione si ottiene una coppia ione-elettrone. Gli ioni risentono della

stessa forza di cui risentono gli elettroni ma risultano essere meno accelerati in virtù

di una maggiore massa. La forza spinge gli ioni nella direzione del catodo, sul quale

vanno ad impattare: si ottiene qui un’emissione secondaria di elettroni di cui si tiene

γ

conto per mezzo del coefficiente definito coefficiente di ionizzazione secondario di

Townsend. Si ha allora che la quantità indica il numero di elettroni secondari

generati da un singolo elettrone primario.

Si possono distinguere due valori di corrente, uno all’anodo e uno al catodo:

• catodo:

• i = i e

anodo: an cath αd

4.2. MECCANISMI DI FORMAZIONE DELLA SCARICA DI PLASMA 27

i i

dove è la corrente degli elettroni primari e è la corrente che si forma a

0 cath

regime per ionizzazione secondaria.

Si parla di plasma quando l’evento fisico si autosostiene, dunque ciascun elettrone

Figura 4.3: Formazione della valanga elettronica

che viaggia dal catodo all’anodo deve produrre almeno un altro elettrone per

ionizzazione. In condizioni di autosostentamento dunque si ha (4.11)

La corrente anodica allora diventa (4.12)

Applicando il logaritmo all’espressione contenuta nell’equazione 4.11 si ottiene

(4.13)

γ = 0.01 − 0.1 αd = 2.5 − 4;

Poichè normalmente si ha che procedendo a ritroso

tramite l’equazione 4.9 si può ottenere un intervallo di valori del campo elettrico

ridotto per i quali è possibile ottenere la scarica di plasma: (4.14)

28 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

Il generatore connesso al circuito genera una differenza di potenziale; il campo

elettrico presente tra il catodo e l’anodo dipende dalla distanza alla quale si trovano

i due elettrodi

Figura 4.4: Andamento del campo elettrico ridotto, rispetto alla distanza fra gli

elettrodi, utile a dare breakdown (a sinistra) e andamento del campo elettrico,

rispetto alla pressione, utile a dare breakdown (a destra).

Come si può notare nelle immagini 4.4 un incremento della distanza fra gli

elettrodi è sempre positivo per il raggiungimento del breakdown poichè per maggiori

distanze è richiesto un minore campo elettrico ridotto. Il beneficio che si ha

nell’aumento della distanza fra gli elettrodi è sensibile fino ad un dato valore di d; per

valori superiori l’entità di tale beneficio diminuisce notevolmente, questo perchè per

piccole distanze d è più sensibile l’effetto di emissione di elettroni secondari.

Nell’immagine di destra è rappresentato un grafico per l’andamento del campo

elettrico in funzione della pressione; dall’equazione 4.14 si è detto in precedenza che

è possibile determinare il valore di campo elettrico ridotto che genera il breakdown.

In tale relazione si ha una dipendenza sia lineare che logaritmica dalla pressione. Alle

basse pressioni risulta dominante l’andamento logaritmico, mentre a pressioni più

alte è dominante l’andamento lineare. Utilizzando l’equazione 4.14 si può calcolare

la tensione di breakdown come (4.15)

Da tale equazione si nota che, dati i coefficienti B e C la tensione da applicare è

dipendente dal prodotto pd; la dipendenza da tale parametro è sia lineare che

logaritmica, in particolare per piccoli valori di pd risulta essere dominante

l’andamento logaritmico, dunque ad un aumento di pd consegue un calo della

tensione da applicare per ottenere il breakdown; per valori elevati di pd è invece

dominante il comportamento lineare, dunque un aumento di tale parametro causa

un aumento della tensione richiesta. Per quanto riguarda il lato pratico della

4.2. MECCANISMI DI FORMAZIONE DELLA SCARICA DI PLASMA 29

generazione del plasma risulta allora più comodo utilizzare i valori di tensione e del

prodotto pd come parametri determinanti per ottenere il breakdown.

Le curve di Paschen, elaborate dallo scienziato Friedrich Paschen, descrivono

l’andamento della tensione di breakdown in funzione del prodotto pd per differenti

tipi di gas Figura 4.5: Curve di Paschen

A pressione atmosferica la generazione del plasma avviene per distanze d

comprese fra 0.1 cm e 1 cm, dunque la tensione di breakdown va cercata nella zona

dei valori di pd compresi fra 76.0 cm Torr e 760 cm Torr. Se si utilizza aria come gas

di plasma la tensione da applicare varia tra 4kV e 20kV.

4.2.2 Spark breakdown

Il fenomeno di Townsend breakdown, descritto precedentemente, si manifesta per

valori di pd inferiori a 4000 cm Torr, il che vale a dire, a pressione atmosferica, con

una distanza degli elettrodi inferiore a 5cm. Al di sopra dei 4000 cm Torr si manifesta

il fenomeno di spark breakdown; in questo caso il campo elettrico risulta essere

molto più grande rispetto a valore minimo necessario al Townsend breakdown e si

parla dunque di sovravoltaggio. La scarica di plasma assume un caratteristico aspetto

filamentoso non uniforme. I filamenti che si generano prendono il nome di streamer

e sono definiti come un sottile canale ionizzato che si propaga rapidamente fra gli

elettrodi lungo la scia carica positivamente lasciata dalla valanga primaria.

Gli streamer sono caratterizzati dai seguenti parametri:

30 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

10 cm s

Velocità di accrescimento 8 −1

0.01 − 0.1cm

Diametro della testa della valanga 10 − 10 el cm

Densità elettronica 12 13 −3

30ns

Durata 10K

Riscaldamento del gas

Tabella 4.2: Parametri caratteristici degli streamer

La valanga elettronica si sviluppa in un tempo minore rispetto a quello necessario

agli ioni per percorrere lo spazio che separa i due elettrodi, dunque il fenomeno non

risulta essere influenzato dall’emissione secondaria. Il campo elettrico che si genera

nella valanga elettronica si somma a quello generato dagli elettrodi provocando

un’accelerazione delle scariche; valanghe elettroniche adiacenti interagiscono

reciprocamente con un’azione repulsiva.

Il campo elettrico associato alla testa della valanga elettronica, dopo aver percorso

uno spazio di x cm, è pari a (4.16)

E = E

Nel momento in cui ha luogo lo spark breakdown invece del Townsend

a 0

breakdown; questa condizione è ottenuta quando è elevato il valore del campo

E

elettrico imposto , essendo questo il motore del fenomeno di ionizzazione nel gas.

0

La valanga elettronica può essere schematizzata come un dipolo elettrico nella cui

testa è concentrata la carica negativa e nella cui coda è concentrata la carica positiva.

Nell’immagine 4.6 si riporta la distorsione del campo elettrico causata dalla presenza

della valanga elettronica. Si nota che sul fronte e sulla coda della valanga il campo

elettrico risulta avere un’intensità maggiore rispetto a quella del solo campo

generato dagli elettrodi, per cui si ottiene un incremento dei fenomeni di ionizzazione

dovuto dalla maggiore accelerazione a cui sono soggette le particelle cariche.

4.2. MECCANISMI DI FORMAZIONE DELLA SCARICA DI PLASMA 31

Figura 4.6: Distorsione del campo elettrico dovuta alla presenza della valanga

elettronica. E = E

La condizione di si verifica quando il raggio della testa della valanga

a 0 α.

elettronica, supposta sferica, è paragonabile con l’inverso di Imponendo la

condizione di uguaglianza dei campi elettrici all’interno dell’equazione 4.16 si può

ottenere la seguente relazione (4.17)

αd

Da queste considerazioni segue che deve essere maggiore o uguale a 20 per

avere al massimo il fenomeno di spark breakdown sull’anodo; nel caso di Townsend

breakdown per la stessa grandezza si era ottenuto un valore critico compreso fra 2.5

e 4 per la generazione della scarica. Si identificano due diversi tipi di scariche,

differenziate dal valore assunto dalla distanza alla quale si realizza la condizione di

uguaglianza fra il campo elettrico imposto e il campo elettrico generato dalla valanga

elettronica.

• x˜ ' d

Nel caso di si parla di cathode directed streamer. Il campo elettrico

generato dalla testa della valanga assume valore elevato ma non raggiunge il

valore del campo elettrico imposto prima che la testa della valanga elettronica

raggiunga l’anodo. Quando la valanga elettronica tocca l’anodo si ottiene una

valanga nella cui testa si hanno solo cariche positive in quanto gli elettroni

32 CAPITOLO 4. LA FISICA DEL PLASMA

fluiscono tutti all’interno dell’anodo. Si genera così una zona caratterizzata da

un forte campo elettrico, tale da causare l’emissione di fotoni.

Figura 4.7: Distorsione del campo elettrico nel caso di cathode directed streamer.

Questi fotoni possono poi dare luogo a fenomeni di fotoionizzazione,

generando delle mini valanghe elettroniche.

Gli elettroni generati vengono attratti dalle ioni presenti nella testa della

valanga, per cui contribuiscono a neutralizzarne la carica. Considerando

sempre che a muoversi siano gli elettroni, in quanto a parità di forza esercitata

dal campo elettrico essi hanno minore massa, e che gli ioni restino fermi, il

susseguirsi di eventi di fotoionizzazione genera un canale di cariche positive

diretto verso il catodo; è questo lo streamer diretto al catodo. Quando tale

canale si congiunge con il catodo si ha la formazione del plasma.

Figura 4.8: Formazione degli streamer nel caso di cathode directed streamer.

4.2. MECCANISMI DI FORMAZIONE DELLA SCARICA DI PLASMA 33

• x < d˜

Nel caso in cui si ha il fenomeno di anode directed streamer. Alla distanza

x˜ E E

si realizza allora l’uguaglianza fra i campi elettrici e : questo genera una

a 0

forte distorsione del campo elettrico sia in direzione dell’anodo che in direzione

del catodo.

Figura 4.9: Distorsione del campo elettrico nel caso di anode directed streamer.

Sulla testa della valanga si realizzano eventi di fotoionizzazione a causa

dell’elevato campo elettrico presente. Gli elettroni così generati vengono

attratti verso l’anodo, andando a neutralizzarne la carica. Il canale di plasma si

sviluppa sia in direzione dell’anodo che in direzione del catodo: verso l’anodo

poichè si ha una neutralizzazione degli ioni, generati dalla fotoionizzazione, da

parte degli elettroni costituenti la testa della valanga primaria; verso il catodo

secondo un meccanismo analogo a quello descritto per i cathode directed

streamers.

Figura 4.10: Formazione degli streamer nel caso di anode directed streamer.

34 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

Capitolo 5

Il taglio plasma

5.1Il brevetto di Robert Gage

La data di priorità del brevetto di Gage è il 26 luglio 1955. Robert Gage era al lavoro per

rendere più efficiente il processo di saldatura al plasma. In tale processo si hanno due

pezzi di metallo affiancati; lo scopo del plasma è quello di realizzare un cordone di

saldatura, avente una data profondità e forma, come riportato in figura.

Figura 5.1: Immagine di saldatura plasma

Il processo descritto da Gage si riferisce ad un arco ad alta pressione compreso fra

un elettrodo e un pezzo da lavoro; una parte dell’arco è stabilizzata per mezzo di un

muro di confinamento: questo consente di controllare la forma e la direzione

dell’effluente gassoso dal punto di stabilizzazione al pezzo da lavorare. L’invenzione

prevede una torcia costituita da un elettrodo e alcuni mezzi che consentono il passaggio

dell’arco e dei gas; è presente anche una parete non consumabile che restringe

lateralmente l’arco e i gas, il cui passaggio costituisce un effluente portatore di carica.

L’arco che si ottiene, avendo una forma definita, può essere utilizzato per percorrere

uno schema ben definito. La costrizione esercitata dalla parete stabilizzatrice consente

di aumentare la densità di energia dell’arco. La scarica di corrente è dell’ordine di

centinaia e migliaia di A e, come afferma Gage, porta ad ottenere risultati inaspettati

rispetto al fine originale del proprio lavoro. La prima configurazione riportata da Gage

prevede la presenza di due elettrodi: uno non consumabile, secondo Gage, in tungsteno

presente all’interno della torcia; il secondo elettrodo è costituito dal pezzo di metallo da

lavorare; si ha poi un flusso di gas che investe l’elettrodo. Questi elementi sono

35

combinati con un collare o nozzle raffreddato ad acqua che circonda e confina

lateralmente una porzione della colonna d’arco al di sotto dell’elettrodo in tungsteno.

Figura 5.2: Differenti configurazioni proposte da Gage: nella figura 6 si ha il

raffreddamento ad acqua del nozzle mentre nella figura 7 è raffreddato ad acqua anche

l’elettrodo

Viene riportato che se l’arco non è costretto allora le influenze esterne generano un

moto erratico dell’attacco del plasma sull’anodo e sul catodo, per cui non si riesce ad

utilizzare la scarica nel punto previsto per la lavorazione del pezzo. Questo effetto può

essere parzialmente risolto avvicinando il pezzo da lavorare alla torcia, aumentando

però la vulnerabilità della torcia stessa in quanto si ha una maggiore probabilità che essa

venga colpita da spruzzi di metallo fuso. La sua invenzione, prevedendo la presenza del

collare, rappresenta dunque un notevole vantaggio in quanto diminuisce sensibilmente

il comportamento erratico dell’attacco del plasma.

La riduzione del diametro del nozzle porta ad ottenere effetti benefici in quanto

aumenta il voltaggio della scarica, dunque la potenza totale dell’arco per un dato livello

di corrente. Per rendere più stabile l’arco è utile avere una maggiore lunghezza assiale

del nozzle, però questa è limitata dal fenomeno del doppio arco: questo consiste nella

formazione di due archi in serie i quali hanno un punto di attacco all’interno del nozzle

che genera un deterioramento del collare di restrizione. Gage afferma che il processo

ha una grande economia di gas in quanto si riescono ad ottenere elevate temperature

e velocità consumando una ridotta quantità di gas.

Il gas utilizzato da Gage è Argon, ma nel brevetto viene riportato che si può impiegare

una qualsiasi miscela di gas. L’invenzione risulta essere adatta a tagliare un elevato

36 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

numero di metalli; è possibile operare sia in corrente continua che in corrente alternata.

La formazione dell’arco principale, utilizzato per la lavorazione del pezzo metallico, è

favorita dalla presenza di un iniziale arco pilota: tale arco si forma sull’elettrodo interno

alla torcia e si attacca sul nozzle; in questo modo si porta ad alta temperatura la parte

terminale dell’elettrodo in tungsteno, facilitando la formazione della scarica principale.

Gage nel proprio brevetto riporta anche torce con differenti forme della sezione della

scarica di plasma

Figura 5.3: Differenti soluzioni proposte da Gage oltre alla scarica di sezione circolare;

nella figura 8 si nota una maggiore zona di trattamento rispetto a quella ottenuta con la

configurazione per il taglio; la configurazione proposta nella figura 10 non ha avuto un

seguito Si riportano di seguito le prime claim scritte da Gage nel proprio brevetto:

• il processo che comprende: la stabilizzazione di un arco ad alta pressione tra un

elettrodo e un pezzo da lavorare, il confinamento di una parte della lunghezza di

tale arco per mezzo di una parete, in modo da controllare la forma e la direzione

dell’effluente tra la stabilizzazione a parete e il pezzo da lavorare e l’applicazione

di tale effluente controllato al pezzo da lavorare;

• il processo in cui il pezzo da lavorare è metallo e in cui l’effluente è utilizzato per

fondere un profilo;

• il processo in cui il flusso di un apposito gas è utilizzato per schermare l’effluente

e il metallo adiacente del pezzo da lavorare;

• il processo che comprende la scarica di un flusso di gas attraverso e da un nozzle,

stabilendo attraverso tale nozzle un arco ad alta pressione fra gli elettrodi collocati

in posizioni adiacenti a quelle di ingresso e uscita del gas da tale nozzle; di questi

due elettrodi uno è costituito dal pezzo da lavorare; 37

• il processo in cui viene utilizzato un arco pilota fra l’elettrodo vicino all’ingresso

del gas e il nozzle, al fine di favorire la formazione dell’arco utile alla lavorazione.

Il brevetto di Robert Gage rappresenta un passo fondamentale in quanto con esso

ha inizio la tecnologia del taglio plasma; è un brevetto particolare perchè oltre a portare

una nuova tecnologia in esso è contenuta già una parziale evoluzione della tecnologia

stessa: questo è visibile nel raffreddamento del nozzle, nell’utilizzo di diverse geometrie

del nozzle per modificare la sezione della scarica di plasma, nell’utilizzo dell’arco pilota.

5.2 La torcia da taglio

I componenti principali di una torcia da taglio sono:

• l’elettrodo

• il diffusore

• •

il nozzle lo shield come riportato nella figura sottostante.

Figura 5.4: Elementi principali di una torcia da taglio

5.2.1 L’elettrodo

L’elettrodo è una parte fondamentale della torcia da taglio in quanto costituisce la fonte

di elettroni utili a generare la scarica di plasma; esso è un componente consumabile,

dunque occorre provvedere alla sua periodica sostituizione al fine di mantenere gli

standard di qualità e precisione, i quali verranno in seguito definiti. Nella maggior parte

dei casi l’elettrodo è fatto in rame e contiene una pastiglia di afnio; l’afnio è un materiale

emettitore per effetto termoionico. Al mondo esistono pochi produttori di afnio, il

quale, in ambito energetico, è un materiale strategico. In altri casi la pastiglia di

materiale emettitore per effetto termoionico può essere fatta in tungsteno. L’elettrodo

viene realizzato in rame poichè tale materiale è caratterizzato da una buona

conducibilità termica, dunque consente di raffreddare meglio la pastiglia in afnio che è

molto sollecitata termicamente. La pastiglia in afnio viene inserita per interferenza

38 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

meccanica nell’elettrodo in rame; a livello microscopico non si ha un contatto uniforme

fra la superficie della pastiglia e la superficie dell’elettrodo, ma il contatto avviene solo

in alcuni punti: questo limita lo scambio termico fra i due elementi e può indurre non

assial simmetria della distribuzione della temperatura all’interno della pastiglia.

L’elettrodo viene scavato al suo interno in modo da consentire il passaggio di acqua per

refrigerarlo; poichè la lavorazione meccanica può essere difficile si preferisce utilizzare

un elettrodo in rame oxygen free (tenore di ossigeno inferiore a 5ppm) poichè si presta

maggiormente alla lavorazione meccanica, mentre utilizzando un elettrodo in rame al

tellurio si incorrerebbe in un gran numero di fermi macchina a causa di inceppamenti

legati alla rottura del trucciolo.

Figura 5.5: Una possibile configurazione per il raffreddamento dell’elettrodo

L’azienda kjellberg utilizza elettrodi in argento poichè tale metallo consente di

ottenere un miglior accoppiamento con l’afnio, dunque un miglior scambio termico.

Come già detto in precedenza, l’elettrodo costituisce un componente consumabile per

la torcia al plasma: la pastiglia di afnio è soggetta ad erosione superficiale causata dal

flusso di gas e dalla potenza del plasma e ad altri fattori. L’usura si manifesta con la

comparsa di crepe sulla superficie della pastiglia, con la formazione di ossidi di afnio, i

quali non sono buoni emettitori di elettroni per effetto termoionico, e con fusioni e

risolidificazioni localizzate sulla superficie della pastiglia, alterando la geometria

superficiale; tutto questo può causare una perdita di materiale all’interno della camera

di plasma e porta alla non assial simmetria della pastiglia. 39

Figura 5.6: Particolari di pastiglie di afnio soggette ad usura

L’elettrodo va dunque cambiato periodicamente prima che esso giunga a fine vita:

questo accade quando la pastiglia di afnio viene espulsa dalla propria sede, provocando

una serie di archi secondari che hanno effetti distruttivi sulla torcia. La refrigerazione

dell’elettrodo ha un forte impatto sul fine vita dell’elettrodo stesso: questo si manifesta

in una minore profondità delle trincee che si formano sulla pastiglia, a parità di numero

di cicli di taglio. ~

n n° cicli taglio

Figura 5.7: Confronto fra elettrodo non raffreddato ed elettrodo raffreddato; h indica la

profondità delle trincee presenti sulla pastiglia di afnio

Per avere un’idea sulle grandezze, per una pastiglia avente una lunghezza iniziale di

5-7 mm il fine vita viene raggiunto quando la lunghezza si riduce a circa 3.5 mm.

40 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

Figura 5.8: Sezione di una pastiglia di afnio soggetta ad usura

Brevetto Komatsu 19 ottobre 1989: Method of machining plate materials with a plasma

cutter and a plasma torch. In molti casi l’erosione dell’elettrodo è causata dal fenomeno

del random pitting, ovvero il plasma si attacca casualmente sulla superficie

dell’elettrodo generando dei surriscaldamenti localizzati che portano alla fusione del

metallo.

L’idea innovativa proposta da Komatsu riguarda l’inserimento di un sistema

magnetizzato, come riportato nel relativo brevetto, nelle vicinanze dell’elettrodo. Il

campo magnetico indotto da tale sistema, che può variare fra i 10 e 200 Gauss, serve a

mettere in rotazione l’attacco del plasma sulla superficie dell’elettrodo. In questo modo

si evita il fenomeno del random pitting optando per un fenomeno di erosione

controllata, in modo da poterla rendere il più possibile assialsimmetrica e limitare lo

scadimento delle prestazioni dell’elettrodo, oltre a incrementarne la vita e a migliorare

la stabilità dell’arco. Nel brevetto si menziona anche il fatto che, con la stabilizzazione

dell’arco operata dal campo magnetico, è possibile lavorare in campi, definiti dalle

dimensioni dell’elettrodo, livello di corrente, diametro del foro dell’ugello, in cui con i

convenzionali metodi di stabilizzazione dell’arco si generava il fenomeno del doppio

arco.

Il brevetto di Komatsu è un brevetto che nessun competitor è riuscito a sfruttare; questo

non richiede una particolare complicazione tecnologica, ma nel tempo si è ottenuta

un’ottimizzazione delle dimensioni dell’elettrodo che ha fatto ridurre l’entità dei danni

indotti dal random pitting. Per questo motivo non vi è più stato l’interesse di indurre

una rotazione nell’attacco del plasma sull’elettrodo. Normalmente l’elettrodo viene

ottenuto per lavorazione meccanica tramite asportazione di truciolo; nel caso in cui il

progetto per i canali di refrigerazione sia particolarmente complesso e difficile da

ottenere con lavorazione meccanica si può ricorrere ad un processo di coniatura: in

questo modo l’elettrodo viene ottenuto spingendo il materiale costituente l’elettrodo

in uno stampo con l’ausilio di un punzone.

Per migliorare le prestazioni delle torce si può anche pensare ad una modellazione della

pastiglia di afnio, cercando una forma che ottimizzi tutti i processi fisici a cui l’afnio è

soggetto. L’afnio è disponibile sul mercato nella forma di fili aventi determinati spessori;

questi fili vengono acquistati e tagliati in modo da ottenere le piccole pastiglie utili per

41

la realizzazione delle torce. Si è osservato che sopra un certo valore di corrente è

conveniente non avere una superficie piatta della pastiglia; è preferibile avere una

superficie leggermente scavata in modo da ridurre la quantità di materiale asportato

per erosione.

In precedenza si è detto che la pastiglia di afnio viene inserita nell’elettrodo per

interferenza meccanica; oltre a questo processo ne sono disponibili altri:

• press fit: si ha un sistema in cui si è in

grado di leggere la forza resistente

avvertita dall’afnio all’atto

dell’inserimento; sulla base di tale

lettura è possibile individuare i

componenti che presentano delle

difettosità, i quali vengono dunque

scartati. Con questo metodo è possibile

garantire uno standard di qualità del

prodotto finito. Figura 5.9: Configurazione del

metodo press-fit.

• si può avere una configurazione in cui l’elettrodo è avvolto da una spira metallica

percorsa da corrente; in questo modo di generano delle correnti parassite

all’interno dell’elettrodo le cui perdite per effetto Joule portano ad aumentare la

temperatura. Questo viene fatto poichè si è visto che l’accoppiamento fra afnio e

rame è migliore se all’atto dell’inserimento viene riscaldata la superficie di

interfaccia fra i due elementi. Per ottenere una profonda penetrazione della

corrente nell’elettrodo occorre utilizzare correnti a bassa frequenza. Questa è una

procedura molto costosa.

• si possono ottenere elettrodi con un processo di sinterizzazione: vengono

utilizzate polveri micrometriche di rame e afnio in modo tale che la pastiglia sia

composta sia da rame che da afnio; in questo modo si combina la capacità di

emissione per effetto termoionico con la buona conducibilità del calore del rame.

Il processo è molto costoso poichè affinchè le prestazioni siano migliori è

necessario che le polveri siano il più possibile sferiche in modo da ridurre la

porosità residua del composto. Si parte dunque da polveri grezze che vengono

trattate con plasma RF o plasma ad arco non trasferito, aumentando il grado di

sferoidizzazione fino al 99.9 %. Il processo è molto costoso poichè il trattamento

plasma richiede tempo, energia e comporta una parziale perdita di materiale.

• con il processo di mechanical alloying è possibile generare una lega metallica per

interazione meccanica fra polveri; questo permette di ottenere leghe da materiali

che altrimenti potrebbero generare una lega sfruttando altri processi di

formazione. Tale processo si sviluppa in tre fasi: inizialmente si inseriscono i

42 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

metalli in un mulino a biglie dove vengono frantumati e ridotti a polveri fini;

successivamente si esegue un processo di pressa calda isostatica, con la quale si

ha la contemporanea compressione e sintesi delle polveri. Infine si esegue un

trattamento caldo finalizzato ad eliminare eventuali stress meccanici presenti

nella lega.

• un altro metodo è quello dello spark plasma sintering: si inserisce una pacchetto

di materiali tra due elettrodi attraverso i quali è fatta passare una corrente DC

pulsata; i materiali, attraversati da corrente, si riscaldano per effetto delle perdite

Joule. Questo consente di ottenere un processo di sintesi più veloce rispetto a

quello che utilizza una pressa a caldo, proprio grazie al fatto che nel caso di SPS la

generazione di calore è interna e non esterna come nel MA.

5.2.2 Il diffusore

Il diffusore è un componente non metallico attraverso il quale viene alimentato il gas

primario utile a generare la scarica di plasma. Un materiale molto impiegato per la

realizzazione del diffusore è il VESPEL: è questo un materiale plastico brevettato

caratterizzato da un’elevata resistenza a sforzi termici e da elevata facilità di

lavorazione.

Figura 5.10: Posizionamento del diffusore all’interno di una testa di torcia da taglio; si

notano i fori attraverso i quali è fatto passare il gas primario

La progettazione del diffusore ha forte impatto sul comportamento fluidodinamico

del gas primario poichè; il diffusore ha infatti il compito di indurre nel gas una

43

componente di swirl. Si volge allora l’attenzione sul numero di fori che devono essere

praticati, sulle loro dimensioni e sul loro orientamento.

5.2.3 L’ugello

L’ugello è il componente che Gage ha utilizzato per costringere l’arco di plasma,

ottenendo così una torcia per il taglio dei metalli grazie alla maggiore densità di energia

presente nella scarica. L’ugello, o nozzle, è un componente consumabile che viene

sostituito nel momento in cui si cambia l’elettrodo della torcia.

Figura 5.11: Schema di una testa di torcia da taglio Cebora; l’immagine è tratta dal

brevetto WO 2008/087522 A2

Con riferimento alla figura sopra riportata l’ugello è il componente indicato col

numero 4; con il numero 3 viene indicato l’elettrodo della torcia. Il volume compreso fra

l’elettrodo e l’ugello è definito camera di plasma ed è lo spazio in cui il plasma viene

generato. L’erosione dell’elettrodo porta ad ottenere un distacco di particelle di afnio

che possono andare a depositarsi sulle pareti della camera di plasma, generando

problemi di assialsimmetria e corrosione della stessa. Modificando la geometria della

camera di plasma è possibile migliorare le caratteristiche fluidodinamiche della scarica

di plasma, come verrà in seguito mostrato analizzando due particolari brevetti, uno di

Hyperterm e uno di Komatsu.

Brevetto Hypertherm 14 gennaio 1992: Improved nozzle and method of operation for a

plasma arc torch. Il brevetto presentato da Hypertherm si è dimostrato essere un

44 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

brevetto molto forte che nessuno è riuscito ad aggirare. Si riporta di seguito parte

dell’abstract contenuto nel brevetto.

All’interno di una torcia per il taglio plasma un flusso di gas di plasma è fatto uscire dalla

camera di plasma (14) preferibilmente attraverso un’apertura circolare posta tra un pre-

orifizio in un pezzo interno dell’ugello (36) e un orifizio di uscita del nozzle in un pezzo

esterno dell’ugello (38). Il canale di bypass (20) creato tra il pezzo interno ed esterno

[...]

dell’ugello guida il flusso di gas all’ambiente esterno, in atmosfera. Il pre-orifizio e

l’orifizio del nozzle sono dimensionati in modo da ottimizzare la velocità del flusso di

massa e la robustezza di un flusso simile a un vortice nel pre-orifizio, creando in tal modo

un ugello virtuale immediatamente sotto l’elettrodo (30). Il flusso di gas nella camera di

plasma (14) è molto uniforme e stabile.

Figura 5.12: Schema dell’ugello innovativo proposto da Hypertherm, immagine tratta dal

relativo brevetto

Si nota dunque che tale brevetto riguarda lo spurgo di una frazione di gas primario

dalla camera di plasma. L’ugello è composto da due parti che, incastrandosi, generano

un canale di bypass. Si descrivono di seguito i vantaggi conseguenti a tale realizzazione.

Precedentemente a tale invenzione la portata in massa all’interno delle torce da taglio

HD era bassa, questo perchè gli ugelli di piccole dimensioni sono soggetti a condizioni di

blocco sonico, dunque si ha un limite fisico sulla portata in massa che può circolare in

modo stazionario all’interno della torcia. Osservando che una maggiore portata in

45

massa, per pari dimensioni della camera di plasma, genera una maggior stabilità

dell’arco, l’idea di Hypertherm è di forzare una maggiore quantità di gas all’interno della

camera, con lo scopo di stabilizzare l’arco, procedendo poi con la rimozione della

quantità in eccesso, ovvero di quella frazione della portata in massa che a causa del

blocco sonico non può essere smaltita dall’apertura dell’ugello.

Con questa invenzione è allora possibile gestire un più ampio intervallo di mass flow rate

nella regione precedente l’orifizio del nozzle.

Nel brevetto vengono descritto anche altri metodi, già presenti nello stato dell’arte

risalente a quel periodo, utilizzati per la stabilizzazione dell’arco.

• Stabilizzazione a parete fredda: questa tecnica consiste nel raffreddare la parete

del nozzle adiacente al getto di plasma. In questo modo si crea uno strato limite

di plasma raffreddato che fa contrarre l’arco e lo tiene distante dall’ugello.

• Stabilizzazione con flusso a vortice: il gas primario viene immesso nella camera di

plasma con una componente tangenziale di velocità, in modo da generare una

componente di swirl nel gas mentre questo procede assialmente attraverso

l’orifizio di uscita dell’ugello. Mentre il gas ruota nella camera i gas più leggeri e

caldi rimangono vicini al centro mentre i gas più freddi e pesanti sono guidati da

una forza centrifuga verso le pareti esterne della camera. In questo modo si

produce uno strato limite di gas freddo che stabilizza l’arco.

• Stabilizzazione a guaina: un consistente flusso assiale di gas freddo circonda l’arco.

In questo modo l’arco dissipa calore verso il flusso di gas caldo, generando una

contrazione del plasma.

Queste tecniche possono essere utilizzate anche combinate assieme ma, viene fatto

notare nel brevetto, il problema del choking limita notevolmente la quantità di gas che

può essere utilizzata per realizzare questi espedienti per la stabilizzazione dell’arco.

Tutte le torce da taglio presentano una depressione nel profilo assiale del campo di

temperatura nella zona di camera di plasma che si ha tra l’elettrodo e l’inizio del

condotto di uscita dell’ugello. Confrontando, con simulazioni numeriche, il

comportamento di una torcia nel caso di assenza e nel caso di presenza dello spurgo di

gas si è visto che nella soluzione proposta da Hypertherm è ancora presente la zona di

depressione nel profilo di temperatura ma che il valore minimo della temperatura è

superiore rispetto al caso di torcia priva di spurgo dei gas. Per quanto riguarda il profilo

assiale della velocità del plasma, nel condotto di uscita dell’ugello e all’esterno della

torcia, non si hanno significative differenze fra i casi di presenza e assenza dello spurgo.

La presenza dello spurgo di gas porta ad ottenere una componente di velocità di swirl

molto più grande sia nella camera di plasma che nel condotto di uscita dell’ugello.

46 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

Figura 5.13: Si confronta, a sinistra, il campo della velocità di swirl nel caso di ugello con

spurgo e in assenza di spurgo; a destra si confronta il campo della velocità di swirl, in

presenza dello spurgo, in funzione del verso di rotazione del gas secondario

Riguardo alla funzione del gas secondario utilizzato nella torcia da taglio, nel

brevetto di Hypertherm è riportato quanto segue.

Figura 5.14: Altro schema della torcia di Hypertherm presente nel brevetto

Il coperchio per l’acqua (66) si infila dentro la parte più bassa del corpo in (66a) in

modo da delimitare, in parte, la camera per l’acqua (62) e un percorso (67a) per il gas

secondario (67). Il flusso (67) produce uno scudo di gas che aiuto a proteggere il nozzle

dagli schizzi di metallo fuso che si generano nella fase di penetrazione del metallo.

Durante il taglio il flusso di gas secondario è ridotto in modo da non destabilizzare l’arco;

viene mantenuto ad un livello sufficiente ad assistere il taglio e a raffreddare lo scudo

del nozzle (68) mentre l’arco è fatto traslare sopra al pezzo da tagliare. 47

Brevetto Tanaka Engineering. La gestione del gas secondario in una torcia da taglio è

importante poichè esso ha influenza sul campo di velocità di swirl del plasma a valle

della torcia. In questa zona è preferibile avere una quanto più possibile ridotta

componente di swirl poichè ad essa è legato l’angolo di taglio. Nell’immagine di destra

della figura 5.13 si ha, in alto, il caso di gas secondario avente rotazione concorde con il

gas primario mentre nell’immagine in basso si ha il caso di gas secondario avente

componente di rotazione discorde rispetto a quella del gas primario: è questa la

soluzione brevettata dalla Tanaka Engineering.

Figura 5.15: Configurazione con gas secondario anti clockwise (a sinistra) e

configurazione prima di gas secondario (a destra) contenuta nel brevetto di Tanaka

Engineering.

Figura 5.16: Confronto degli andamenti radiali della velocità di swirl a varie distanze z

dall’uscita della torcia nel caso di gas secondario con componente di swirl clockwise (a

sinistra) e anticlockwise (a destra). In ascissa è riportata la distanza radiale, in m, mentre

in ordinata è riportata la velocità di swirl, in m/s L’ultima configurazione descritta

consente di ottenere una componente di velocità di swirl molto piccola nella zona di

stand off, ovvero tra l’uscita della torcia da taglio ed il pezzo da lavorare. Tale

configurazione però è difficile da applicare in quanto il mescolamento di due flussi di gas

aventi verso opposto di rotazione genera turbolenza nel flusso, a discapito della stabilità

della scarica di plasma.

48 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

Nell’immagine sopra riportata sono illustrati i profili della velocità di swirl, ottenuti

tramite simulazione numerica, nel caso di utilizzo di gas secondario con verso di

rotazione opposto a quello del gas primario.

Brevetto Komatsu 25 dicembre 1989: Transferred plasma arc torch. Nella parte iniziale

del brevetto viene indagata la causa che porta ad avere un profilo inclinato del pezzo

tagliato con una torcia al plasma. Dagli studi eseguiti da Komatsu il motivo di tutto ciò

risiede nella non assial simmetria del profilo di velocità della scarica di plasma. Questo

effetto è principalmente legato al non perfetto allineamento dell’asse dell’elettrodo con

l’asse della camera di plasma e del condotto di uscita dell’ugello e all’usura dei

componenti consumabili che porta ad alterazioni non assialsimmetriche del campo di

temperatura e del campo di velocità: questo mostra come la qualità del taglio sia

determinata sia da aspetti meccanici, legati al montaggio della torcia e dunque presenti

anche quando la torcia è nuova, sia da aspetti termo-fluidodinamici che variano nel

tempo in conseguenza dell’usura dei consumabili.

Figura 5.17: Confronto fra uno schema di testa di torcia da taglio proposto da Komatsu

come rappresentativo dello stato dell’arte (a sinistra) e lo schema innovativo proposto

da Komatsu (a destra).

L’innovazione proposta da Komatsu è di realizzare due camere di plasma, una in serie

all’altra, secondo particolari valori dei rapporti dove D è il diametro della seconda

camera di plasma e d il diametro dell’orifizio del nozzle, H lo sviluppo assiale della

seconda camera di plasma e l la lunghezza assiale dell’orifizio dell’ugello. Lo sviluppo di

una doppia camera di plasma consente di ridurre gli effetti della non assialsimmetria

sulla qualità del taglio eseguito, dunque in questo modo è possibile ottenere una qualità

di taglio più longeva, al crescere del numero di tagli eseguiti, ed una qualità di taglio che

può essere buona anche se la torcia non presenta il massimo dell’accuratezza nel

montaggio dei componenti; quest’ultimo aspetto ha impatto sulla qualità delle

lavorazioni meccaniche a cui sono soggetti i singoli elementi costituenti la torcia, dunque

sul costo di realizzazione degli stessi. Nelle rivendicazioni del brevetto Komatsu riporta i

seguenti intervalli favorevoli per i rapporti indicati in precedenza: 49

Tali valori sono riportati nella prima claim del brevetto con una e che li lega: per un

competitore di Komatsu un proprio prodotto viola il brevetto in questione quando

entrambi i rapporti sopra citati rientrano negli intervalli indicati nella rivendicazione. Se

nei due intervalli rientra uno solo dei due rapporti non si ha la violazione del brevetto.

Da simulazioni è emerso che il valore del rapporto è meno importante rispetto al

valore di , dunque per tutte le aziende produttrici di torce per taglio plasma è stato

possibile realizzare torce con doppia camera di plasma senza incorrere in una violazione

del brevetto di Komatsu.

Nelle successive rivendicazioni del brevetto Komatsu ha inserito diverse possibili

geometrie di realizzazione della camera di plasma, ovvero cilindrica, a tronco di cono e

cilindrica con una parte terminale caratterizzata da una curva morbida visibile nella

sezione assiale della camera.

Riguardo la progettazione dell’ugello per alcune torce l’orifizio del nozzle presente, nella

parte terminale, un tratto assiale avente un diametro maggiore rispetto alla parte

iniziale del condotto; si realizza uno scavo in questa zona poichè altrimenti in questo

punto il materiale verrebbe asportato dal plasma uscente dalla torcia in modo casuale,

generando pesanti problemi di non assialsimmetria della torcia. La quantità di materiale

da asportare è determinata dalla termo-fluidodinamica del plasma per cui occorre tener

conto del campo di temperatura, che interessa anche il nozzle, e di come si espande la

scarica di plasma uscendo dalla torcia.

Figura 5.18: Esempio di ugello con parte terminale avente un maggiore diametro;

l’immagine riporta il campo di velocità assiale per una data torcia.

50 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

5.2.4 Lo shield

Brevetto Hypertherm 7 giugno 1988: Nozzle shield for a plasma arc torch. Con questo

brevetto Hypertherm propone come soluzione innovativa l’utilizzo di uno scudo a forma

di coppa realizzato con un materiale avente un’elevata conducibilità termica, come il

rame, montato nell’estremità inferiore della torcia in modo da racchiudere l’ugello, con

l’eccezione di un orifizio centrale d’uscita, il quale è allineato con l’orifizio dell’ugello, e

di uno o più fori disposti in modo equiangolare attorno al foro di uscita e posizionati

sulla superficie dello shield immediatamente esposta sul pezzo da tagliare. Un anello di

montaggio realizzato con materiale dielettrico sostiene lo shield e lo isola elettricamente

dal corpo della torcia. Un percorso adibito ad un gas secondario attraverso il corpo della

torcia guida un flusso di gas refrigerante nello spazio presente fra l’ugello e lo shield. Il

gas secondario attraversa anche un elemento che gli imprime una componente di swirl.

Una parte del gas esce dai fori disposti sulla superficie esposta sul pezzo da tagliare

mentre la parte rimanente viene mandata alla scarica di plasma in modo da stabilizzarla.

Il gas che esce dai fori deve essere in quantità sufficiente da raffreddare lo shield e

impedire l’adesione di particelle di metallo fuso, proveniente dal taglio del pezzo di

lavoro, sul metallo costituente lo shield. Con questa particolare configurazione è

possibile utilizzare un gas per realizzare un sufficiente raffreddamento dello shield,

anche se il gas è caratterizzato da un calore specifico molto più piccolo rispetto a quello

di alcuni liquidi refrigeranti.

L’invenzione porta ad ottenere una maggiore qualità di taglio e a proteggere l’ugello da

gocce di metallo fuso.

Nel brevetto si rivendica una torcia caratterizzata da:

• l’utilizzo di uno shield, conduttivo elettricamente, che protegge l’ugello, avente un

orifizio centrale grande abbastanza da non interferire con il plasma e

sufficientemente piccolo in modo tale che le particelle di metallo fuso colpiscano

lo shield senza raggiungere il nozzle;

• mezzi utilizzati per isolare elettricamente lo shield dal resto della torcia;

• mezzi utili a produrre un flusso di gas secondario che raffreddi lo shield e stabilizzi

l’arco; le torce descritte precedentemente e che presentano:

• uno shield realizzato in materiale con un’elevata conducibilità termica;

• uno shield in rame

• uno shield su cui è realizzato un certo numero di fori orientati trasversalmente

rispetto alla superficie dello scudo;

• mezzi utili a generare una componente di swirl nel gas secondario;

• [...] 51

Lo shield non è uno dei componenti che rientra nella categoria dei consumabili delle

torce da taglio; nel brevetto di Hypertherm si fa particolare riferimento al rame come

materiale impiegato per la realizzazione dello shield; oggi si impiega molto l’ottone.

5.3 Il processo di taglio

Il processo di taglio con torcia al plasma può essere suddiviso in più fasi, in particolare:

• piercing: in questa fase la scarica di plasma penetra il materiale da tagliare; fino a

che non è stato completato il foro il metallo fuso dal plasma viene fatto schizzare

verso l’alto. È questa una delle fasi più pericolose in quanto il metallo fuso può

danneggiare seriamente la torcia.

• lead in: la fase di sfondamento della lamiera non è realizzata lungo lo schema che

rappresenta il pezzo da tagliare ma al di fuori di questo, in modo da non

danneggiare il pezzo che si vuole tenere. La fase di lead in consiste nel portare la

torcia dal punto di sfondamento ad un punto appartenente al pattern di taglio.

• una volta che la torcia è guidata sul pattern di taglio si esegue interamente il taglio

di interesse; occorre stabilire a priori come movimentare la torcia, in funzione del

percorso che deve eseguire e del pezzo che si vuole tenere poichè occorre tener

conto di alcune caratteristiche sulla qualità del taglio.

• lead out: una volta eseguito il taglio occorre portare la torcia in un punto

sufficientemente distante dal pezzo in modo da poterla spegnere. Questo viene

fatto perchè se la torcia fosse fatta spegnere su un punto sopra al pezzo di

interesse allora si rischierebbero dei surriscaldamenti localizzati del metallo che

potrebbero portare ad una variazione non voluta della sua struttura, dunque delle

sue caratteristiche termo-meccaniche.

La torcia, procedendo lungo il pattern di taglio, realizza un solco sul metallo che

prende il nome di kerf; su questo elemento vengono definiti i concetti di qualità e

definizione del taglio plasma.

Convenzionalmente il gas primario utilizzato nelle torce da taglio ha una

componente di velocità che ruota in senso orario, guardando la torcia dall’alto mentre

questa è in fase di taglio; questo porta ad ottenere una differente qualità di taglio sui

due lati del pezzo tagliato. Facendo riferimento alla figura 5.19 il lato avente la maggiore

qualità di taglio è quello destro, rispetto al verso di avanzamento della torcia,

considerando che si stia muovendo verso il tratto di metallo non ancora tagliato.

52 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

5.3. IL PROCESSO DI TAGLIO

Figura 5.19: Illustrazione del kerf e di tutti gli elementi che lo caratterizzano

La qualità di taglio consiste in quello che nella figura 5.19 è indicato come bave angle,

ovvero l’angolo formato dal profilo di taglio con l’asse verticale. La normativa UNI EN

ISO 9013 è la normativa di riferimento sulla classificazione del taglio plasma e sulle

tolleranze relative alla qualità. In particolare si definiscono i range di taglio: il range è

definito come l’angolo al di sotto del quale è contenuto l’angolo di taglio su una lamiera

mild steel spessa 10mm; ad esempio per un range 1 l’angolo di taglio è inferiore a 1 . Le

torce Hypertherm raggiungono range 3 mentre quelle Kjellberg raggiungono range 1,

dunque sono caratterizzate da una maggiore qualità di taglio.

La qualità di taglio è un parametro che varia in funzione dell’usura dei componenti

consumabili, dunque l’azienda costruttrice della torcia può fornire una previsione

dell’andamento del range di taglio in funzione del numero di tagli operati, secondo

condizioni operative specificate. La definizione del taglio è rappresentata dallo spessore

del kerf; ovviamente minore è tale spessore e minore è la quantità di metallo asportata

e persa dal pezzo. Dall’immagine 5.19 si nota che il kerf è anche caratterizzato dalla

presenza di striature sul profilo di taglio: maggiore è l’entità di tali striature e maggiore

sarà la rugosità superficiale del solco di taglio, per cui possono essere necessarie ulteriori

lavorazioni meccaniche se la rugosità ottenuta in fase di taglio è superiore rispetto al

limite richiesto. Vi è infine la formazione di bave sul bordo inferiore del taglio: queste

sono presenti a causa del metallo fuso che, procedendo verso il basso, si risolidifica in

parte sul pezzo tagliato. Anche in questo caso possono essere necessarie successive

lavorazioni meccaniche per migliorare la qualità della superficie del pezzo interessata

dal taglio. 53

Si definiscono torce da taglio in alta definizione quelle torce per le quali non è necessario

operare successive lavorazioni meccaniche sul pezzo tagliato.

5.4 I transitori di accensione e spegnimento

Un lavoro compiuto dal gruppo di Colombo è stato svolto per indagare il

comportamento dei catodi in Hf durante la fase di arco pilota a bassa corrente per

evidenziare i fenomeni che accadono durante la transizione da una fase fredda, isolata

e non emissiva ad una fase conduttiva, emissiva e calda per i materiali a base di Hf

utilizzati per la realizzazione di elettrodi per il taglio plasma (PAC). L’erosione del catodo

è un fenomeno che limita l’incremento delle prestazioni nel taglio plasma, soprattutto

quando l’Hf è utilizzato in catodi in combinazione con aria o ossigeno come gas primario.

Oltre all’erosione che si manifesta durante il periodo di sostentamento dell’arco plasma

per il taglio si ha un’addizionale erosione ad ogni formazione dell’arco. Questo

fenomeno diventa particolarmente importante quando la torcia viene impiegata per

piccoli cicli di taglio.

Lo studio compiuto del gruppo di Colombo ha utilizzato una torcia con catodo in Hf e

aria come gas primario; si è sfruttato l’uso di una telecamera high speed imaging in

modo da osservare i fenomeni che si verificano su una ridotta scala temporale.

La fase iniziale dell’arco è formata da più passaggi. Prima di tutto un segnale ad alta

frequenza attraversa la camera di plasma, come rappresentato nell’immagine 5.20a. In

seguito a ciò si stabilisce un arco a bassa corrente (circa 20A) tra l’elettrodo e il nozzle.

La colonna dell’arco è fatta uscire dal nozzle, formando un attacco a forma di occhiello

dell’arco sulla sua superficie esterno, come mostrato nella figura 5.20c. In questa fase

l’arco pilota opera in modo non trasferito.

Figura 5.20: Fasi di generazione dell’arco in processo PAC

Lo scopo dell’arco pilota è di creare un mezzo conduttivo nello spazio compreso tra

l’ugello e il pezzo da lavorare. Quando l’arco pilota tocca il pezzo il sistema di controllo

elettronico, presente nel generatore, isola il nozzle; si stabilisce così l’arco fra l’elettrodo

e il pezzo da lavoro in modo trasferito, come illustrato in figura 5.20d. La corrente

54 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

dell’arco principale ha un valore iniziale relativamente basso che viene poi aumentato

nel tempo fino al valore desiderato.

Osservando l’elettrodo si nota che l’arco inizialmente si forma sul supporto in

5.4. I TRANSITORI DI ACCENSIONE E SPEGNIMENTO

rame per poi muoversi sul contorno dell’inserto emettitore. Gli elettrodi nuovi sono

caratterizzati da una superficie liscia di Hf metallico mentre quelli usati, dopo essere

stati esposti ad un’atmosfera ossidante ad alta temperatura, sono caratterizzati da uno

strato superficiale di ossido di afnio (HfO ) avente uno spessore dell’ordine di 500µm.

2

Si è ipotizzato che l’erosione che ha luogo nella fase iniziale sia legata alla difficoltà che

l’arco incontra nel muoversi dalla regione di contorno della zona emettitrice al centro

della stessa. Questo si dimostra essere vero per gli elettrodi usati nei quali l’arco si

muove su uno strato solido di afnio ossidato che, a differenza della sua fase liquida, è

uno scarso conduttore elettrico e termico.

Durante lo studio di questi fenomeni sono stati utilizzati tre differenti tipi di elettrodi:

• elettrodo nuovo con una superficie piana;

• elettrodo nuovo con una superficie concava di emissione;

• elettrodo usato con un recesso spontaneo generato sulla superficie di emissione

in seguito ad un dato numero di cicli di taglio.

La seconda soluzione è largamente l’attacco al catodo che si sposta molto

utilizzata poichè riduce gli effetti negativi velocemente verso il centro della

generati dalla naturale erosione della superficie di afnio, al pari di un collasso.

superficie in afnio; questa consente di Questo porta all’emissione di vapori di

ottenere una minore deposizione di afnio e, nel caso di elettrodi usati, anche

materiale emettitore all’interno del all’espulsione di particelle di metallo

nozzle, riducendo il rischio di formazione fuso.

dei doppi archi ed incrementando la

stabilità dell’arco e la qualità del taglio. I

risultati hanno mostrato che il processo

di arco pilota è formato da sue fasi

successive: nella prima l’attacco sul

catodo ruota attorno alla periferia della

superficie emettitrice, come mostrato

nell’immagine 5.21a; questa fase è

caratterizzata anche dall’emissione di

vapori di afnio. Nella seconda fase

l’attacco al catodo non è più rotante in

quanto si è stabilizzato al centro della

superficie di afnio, come mostrato

nell’imamgine 5.21b. La transizione tra le

due fasi avviene in modo improvviso, con

Queste due particolari fasi per l’arco pilota vengono confrontate per i tre diversi tipi

di elettrodi utilizzati.

• Elettrodo nuovo con superficie piana. L’arco esce dal nozzle in un tempo di 2ms;

in seguito a ciò l’attacco al catodo inizia a ruotare sulla periferia della superficie

in afnio creando un anello di afnio fuso. Al tempo di 6.56ms si ha la transizione

alla seconda fase con una durata di circa 1ms. In questo caso l’evento di

transizione è accompagnato dalla sola emissione di vapori di afnio e non appare

traumatico.

• Elettrodo nuovo con superficie concava. L’arco esce dal nozzle in un tempo

paragonabile a quello del caso di elettrodo nuovo con superficie piana. A

differenza di questo caso però l’evento di transizione inizia a 10ms, ovvero

all’incirca 3.5ms dopo rispetto al primo caso. Questo può essere dovuto alla

maggiore superficie di afnio che deve essere riscaldata. Anche in questo caso

l’evento di transizione dalla prima alla seconda fase si manifesta con la sola

emissione di vapori di afnio e si completa entro 12ms dall’inizio della fase di

arco pilota.

• Elettrodo usato. L’arco pilota esce dall’ugello a circa 3ms e l’attacco al catodo

ruota attorno alla superficie in afnio per un tempo molto più grande rispetto a

quello del caso di elettrodo nuovo, fino a circa 174ms. Durante la prima fase

l’attacco al catodo scalda un anello di ossido di agnio; a circa 173.5ms si ha la

transizione alla seconda fase. Questa transizione dura 1ms ed è accompagnata

dall’emissione di vapore di afnio e dall’espulsione di gocce di metallo fuso.

Prima di compiere tale lavoro di ricerca si immaginava che l’attacco del plasma al

catodo si muovesse radialmente verso il centro della superficie in afnio, mentre le

riprese in high speed imaging hanno consentito di vedere che l’attacco ruota lungo

un anello il cui spessore cresce progressivamente; nella fase finale questa espansione

progredisce molto velocemente determinando una specie di collasso dell’attacco al

centro della superficie emettitrice.

Si suppone che il differente comportamento fra elettrodi nuovi ed usati sia

principalmente influenzato dalla diffusività termica del metallo. Si hanno infatti i

seguenti valori: α = 1.4 × 10 m s α = 5.1 × 10 m s

e

Hf −5 2 −1 HfO −7 2 −1

2

56 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

α

Il rapporto /α è circa pari a 25; questo è lo stesso ordine di grandezza del

Hf HfO

2

rapporto fra i tempi caratteristici della prima fase di arco pilota, calcolato per

elettrodo usato ed elettrodi nuovo, circa pari a 20.

In un altro lavoro del gruppo di Colombo, risalente al 2011, si fa uso di un sistema

integrato di diagnostica e simulazione con lo scopo di ottimizzare il funzionamento

delle torce da taglio. In questo lavoro viene impiegata la tecnica di high speed imaging

per osservare lo sviluppo dell’arco pilota e della fotografia

Schlieren per capire meglio l’interazione fra la scarica di plasma e la parte superiore

del kerf.

Sul mercato si trovano torce da taglio che possono avere due differenti modi di

innescare la scarica di plasma con un arco pilota: uno sfrutta l’impulso ad alta

frequenza mentre l’altro prevede una movimentazione meccanica dell’elettrodo che

inizialmente si trova a contatto con l’ugello. Esiste anche la modalità di accensione

ad arco trasferito. La modalità di accensione con arco pilota e impulso ad alta

frequenza è già stata descritta in precedenza, dunque in seguito si riporteranno

unicamente le specifiche condizioni dell’esperimento eseguito.

Iniziando dall’ultima modalità descritta si è utilizzato un cilindro rotante in carbonio

raffreddato ad acqua come anodo anzichè una lamiera di metallo; per osservare

l’attacco della scarica di plasma sul catodo si è rimosso lo shield ed utilizzato un

particolare ugello sul quale è stato realizzato un foro in cui si è inserita una finestra

di quarzo sigillata con una particolare resina. Rispetto agli altri casi si è ridotta la

componente di velocità di swirl del gas primario entrante in camera di plasma

utilizzando un diffusore a 6 fori aventi il diametro di 0.8mm. Lo studio è stato

compiuto su un elettrodo usato. Con questa modalità si hanno due fasi successive

separate da un improvviso evento di transizione caratterizzato dall’emissione di

molte particelle di afnio fuso, come nel caso di innesco con arco pilota per un

elettrodo usato. La stabilizzazione dell’arco al centro della superficie emettitrice è

ottenuta a 15ms dall’inizio dell’accensione dell’arco. Il risultato ottenuto ha

dimostrato che, per un elettrodo usato, la stabilizzazione della colonna d’arco è

sempre accompagnata da un’elevata espulsione di metallo fuso, indipendentemente

dalla velocità di swirl del gas.

Per l’accensione con impulso ad alta frequenza si sono utilizzate le condizioni tipiche

impiegate per il taglio di lastre di acciaio dolce aventi uno spessore di 20mm con una

corrente di 100A. L’elettrodo utilizza una pastiglia di afnio, inserita con il metodo

press fit, avente un diametro di 1,6mm ed un ugello avente un foro di uscita con un

diametro di 1.37mm: si nota che in questo caso il diametro della pastiglia è superiore

al diametro del foro.

Nel metodo dell’accensione a contatto normalmente si utilizza la pressione dell’aria

alimentata alla torcia per muovere indietro un pistone con il quale l’elettrodo

connesso; l’elettrodo e l’ugello inizialmente sono in contatto e una corrente scorre

attraverso essi. Quando l’elettrodo si ritrae si crea l’arco pilota. Le condizioni

operative utilizzate sono quelle caratteristiche del taglio di lamiere di acciaio dolce

spesse 12mm con una corrente di 100A e aria come gas di plasma e di scudo. Gli

elettrodi testati hanno una pastiglia di afnio, con diametro di 1.3mm, inserita nel

corpo di rame con la tecnica del press fit, e un ugello con un foro di uscita avente un

diametro di 1.52mm: si nota che in questo caso il diametro della pastiglia è inferiore

a quello del foro del nozzle.

Il transitorio iniziale è caratterizzato da un dislocamento dell’attacco anodico dal

cappuccio di rame alla periferia della superficie emettitrice seguito da una graduale

estensione dell’attacco catodico sulla superficie di afnio senza eventi improvvisi ed

emissioni di particelle. La corrente raggiunge il suo valore nominale prima che

l’elettrodo si distacchi dall’ugello. La stabilizzazione dell’attacco catodico inizia dopo

72.30ms. Si ha un’emissione di vapore di afnio e di particelle durante l’estensione

dell’attacco catodico sulla superficie emittitrice. Per la tecnica di accensione a

contatto si può dunque notare un transitorio più lungo, positivo per la vita

dell’elettrodo, in quanto non porta ad avere eventi traumatici. Nello stesso lavoro si

è esaminato il comportamento dell’attacco anodico, ovvero sul pezzo da tagliare,

durante le fasi di sfondamento e di taglio. Per fare questo sono stati considerati dei

casi di edge piercing e di edge cutting, ovvero si è eseguito uno sfondamento e un

taglio della lamiera partendo da uno spigolo della stesa, in modo da poter filmare il

fenomeno. Si è utilizzata una lamiera di acciaio dolce spessa 20 mm ed una torcia da

200A con O come gas primario e aria come gas secondario. Durante la fase di

2

sfondamento si è visto che l’attacco anodico è caratterizzato da uno o più punti di

attacco, sulle pareti del kerf, che si muovono dall’alto verso il basso, come riportato

in figura 5.22a.

Figura 5.22: Rappresentazione della fase di edge piercing (a sinistra) e di edge cutting

(a destra) ed il relativo comportamento della scarica di plasma

58 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

Il test di edge cutting è stato compiuto con condizioni operative realistiche, tranne

per quanto riguarda le velocità di taglio, le quali sono state impostate a: 0.3, 1, 3.5 e

4.5 m/s. Il confronto fra il comportamento dell’attacco anodico per le differenti

velocità di taglio mostra che, a ridotte velocità di taglio si ha uno o più attacchi, sul

fronte di taglio, che si muovono dall’alto al basso, come nel caso dell’edge piercing.

Aumentando la velocità di taglio l’attacco dell’arco scompare dal fronte di taglio e la

lunghezza dell’arco si riduce e diventa costante.

L’erosione dell’elettrodo è visibile anche durante il transitorio di spegnimento, sia

dalla condizione di taglio che dalla condizione di spegnimento in arco pilota, ovvero

nel caso in cui si esegua lo spegnimento senza aver generato l’arco principale.

5.5 Gas utilizzati per il taglio al plasma

Proprietà e purezza dei gas

I gas esercitano un’influenza considerevole sulla qualità di taglio. Affinché il processo

al plasma si riveli economico e fornisca risultati di taglio ottimali, i gas di processo che

supportano la formazione del plasma devono essere scelti in funzione del materiale

che si desidera lavorare. A questo proposito è fondamentale tenere conto delle

proprietà fisiche dei gas, quali l’energia di ionizzazione e dissociazione, la

conducibilità termica, il peso atomico e la reattività chimica.

Argon L’argon appartiene alla categoria dei gas inerti. Questo significa che durante il

processo di taglio non reagisce con il materiale. Grazie al suo peso atomico - il più

elevato di tutti i gas utilizzati per il taglio al plasma - agevola l’espulsione del materiale

fuso dal solco di taglio. Questo è possibile grazie all’elevata energia cinetica del fascio

plasma. Il ridotto potenziale di ionizzazione dell’argon rende questo gas

particolarmente indicato per l’innesco del fascio plasma. Tuttavia, a causa della

scarsa conducibilità termica e del basso potere calorifico, l’argon non si presta ad

essere utilizzato per il taglio come gas singolo.

Idrogeno Rispetto all’argon, l’idrogeno presenta un’ottima conducibilità termica e si

dissocia alle alte temperature. Questo fa sì che all’arco venga sottratta molta energia

(anche in fase di ionizzazione) con un conseguente raffreddamento degli strati

esterni. In ragione di questo effetto, l’arco viene compresso e raggiunge elevate

densità energetiche. L’energia sottratta viene liberata nel bagno fuso sotto forma di

calore mediante processi di ricombinazione. Ciò nonostante, anche l’idrogeno non è

indicato per l’impiego come gas singolo poiché, diversamente dall’argon, presenta

un peso atomico molto basso che non gli permette di sviluppare un’energia cinetica

sufficientemente elevata per espellere il materiale fuso.

Azoto L’azoto è un gas non reattivo, ossia reagisce con il pezzo da lavorare solo a

temperature elevate, mentre rimane inerte alle basse temperature. Per quanto

riguarda le sue proprietà (conducibilità termica, entalpia e peso atomico), l’azoto si

colloca a metà tra l’argon e l’idrogeno. Per questo può essere utilizzato anche come

gas singolo per lamiere sottili di acciai ad alta lega, oltre che come gas per il taglio e

gas vorticoso.

Ossigeno Per le sue caratteristiche di conducibilità termica e peso atomico, l’ossigeno

si colloca allo stesso livello dell’azoto. L’ossigeno presenta una buona affinità con il

ferro; questo significa che, durante il processo di ossidazione, si libera calore che può

essere utilizzato per ottenere una velocità di taglio più elevata. Tuttavia, questa

reazione è tipica del processo di taglio termico per fusione e non del processo di taglio

al cannello, poiché la reazione con il materiale avviene in tempi troppo lunghi e

quando il materiale è ormai fuso. L’ossigeno viene utilizzato principalmente come gas

di taglio e gas secondario per acciai non legati e a bassa lega.

Aria o air L’aria è composta essenzialmente da azoto (ca. 70%) e ossigeno (ca. 21%).

L’utilizzo dell’aria permette quindi di sfruttare contemporaneamente le proprietà di

entrambi i gas. L’aria è uno dei gas più economici disponibili in natura e viene

utilizzata per tagliare lamiere di acciai non legati, a bassa lega e ad alta lega.

Miscele di gas Spesso i gas sopra descritti vengono utilizzati anche in combinazione

con altri gas, dando luogo a miscele. In tal modo è possibile combinare, ad esempio,

le buone proprietà termiche dell’idrogeno con l’elevato peso atomico dell’argon. Gli

acciai ad alta lega e l’alluminio possono essere tagliati a partire da spessori del

materiale di 5 mm. La percentuale di idrogeno varia in funzione dello spessore del

materiale. Maggiore è lo spessore del materiale, maggiore sarà la percentuale di

idrogeno impiegata. La percentuale massima è pari al 35% vol. Naturalmente, sono

possibili anche altre combinazioni, come miscele di azoto-idrogeno o argon-azoto-

idrogeno.

Purezze Per ottenere un risultato di taglio riproducibile e di altissima qualità si

consigliano i seguenti valori di purezza dei gas:

60 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

µ

Gas plasma Aria compressa: dimensione max. particelle 0,1 m classe 1 secondo ISO

3

8573, tenore max. di olio residuo 0,1 mg/m classe 2 secondo ISO 8573, punto di

rugiada in pressione max. +3 C classe 4 secondo ISO 8573

Ossigeno: 99,5 %

Azoto: 99,999 %

Idrogeno: 99,95%

Argon: 99,996 %

Gas vorticosi Ossigeno: 99,5 %

Azoto: 99,996 % (migliore 99,999%)

Forming gas: (miscela N2 95%, H2 5%)

Capitolo 6

I plasmi RF

La tecnologia del plasma RF vede come padre fondatore Thomas Reed, anche se si

sostiene che già Tesla avesse intuito il suo principio di funzionamento. Reed nel 1960

pubblica un articolo in cui spiega la sua scoperta sulla generazione di un plasma con

l’ausilio di un circuito di induzione. Si riporta la descrizione della

alimentato da gas dall’altra estremità,

torcia fornita nell’articolo. come raffigurato nell’immagine 6.1. Un

avvolgimento rf circonda il tubo al centro

ed è utilizzato per fornire energia al

plasma. Si fornisce potenza

all’avvolgimento con un generatore rf

avente una potenza massima di 10kW.

Durante i primi esperimenti l’accensione

veniva realizzata con l’ausilio di un arco

pilota generato tra due elettrodi in

tungsteno raffreddati ad acqua inclinati

di 5 rispetto all’asse del tubo. In seguito

si è scoperto che l’accensione può essere

ottenuta inserendo temporaneamente

una barra di grafite o un filo refrattario

accoppiato con il campo del circuito rf,

facendoli scaldare per un tempo

sufficientemente lungo: questi agiscono

da fonte di portatori di carica. Il

riscaldamento del gas nelle vicinanze

della barra fa abbassare sufficientemente

Figura 6.1: Schema della torcia a il potenziale di breakdown del gas in

induzione proposto da Reed nel proprio modo da consentire al plasma di

articolo. stabilizzarsi nell’elevato campo rf

presente all’interno del tubo prima

Nella sua forma più semplice la torcia dell’accensione.

al plasma è costituita da un tubo di

quarzo aperto ad una estremità,

83 Dal momento in cui il plasma si è formato esso si deve propagare velocemente

contro il flusso di gas nel campo rf in quanto il plasma è continuamente spinto via da

tale flusso, altrimenti si estingue come una fiamma non stabile. A basse velocità del

62 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

gas l’ordinaria conduzione del calore può mantenere il plasma ma ad elevate velocità

occorre provvedere al ricircolo di una parte del plasma in modo da aumentare il

tempo di permanenza all’interno del tubo. Una soluzione efficace è indicata come

stabilizzazione a vortice: il gas viene alimentato nel tubo con una componente di

velocità tangenziale, tale da instaurare un moto a spirale del flusso. Questo genera

una zona a bassa pressione al centro del tubo che causa la risalita di una parte del

plasma in controcorrente rispetto al flusso principale. Questo tipo di torcia è

caratterizzato dall’assenza di elettrodi: questo consente di utilizzare una qualsiasi

miscela di gas come gas di plasma e rende la torcia pulita poichè non si ha l’emissione

di particelle, caratteristica dei plasmi generati con elettrodi, conseguente all’erosione

dell’elettrodo.

Nell’articolo del 1960 è riportata la descrizione delle misure di temperatura

effettuate sulla torcia RF.

Misurare quantità fisiche di un plasma termico non è banale, in quanto strumenti

convenzionali di misura non possono ovviamente coesistere con il plasma, e le

proprietà termodinamiche del gas in uno stato ionizzato non sono in genere note.

L’approccio alla misurazione deve pertanto essere particolarmente cauto, riportiamo

quanto esposto nell’articolo riguardo alle misure di temperatura come esempio di un

possibile approccio a tale problema. Si vuole determinare la temperatura del plasma

come funzione delle coordinate spaziali(r e z sono naturali vista la geometria

cilindrica), della composizione del gas di plasma utilizzato e della potenza. Ottenere

tali risultati è passo fondamentale per ogni possibile applicazione della tecnologia.

Per ottenere una quantificazione della temperatura si introduce l’ipotesi secondo cui

il plasma sia in equilibrio termodinamico, vedremo in seguito alcune riflessioni a

riguardo. Quando un gas si trovi in equilibrio è possibile determinare l’intensità di

emissione in una linea spettrale (che per atomi semplici come Ar corrisponderà alla

E

transizione da un preciso stato energetico dell’atomo ) come:

m (6.1)

n u

con densità numerica degli atomi allo stato di riferimento, funzione di

0 0

ripartizione per l’atomo (6.2)

k costante di Boltzmann e K dipendente solo dallo stato energetico considerato

(E ). È possibile tramite l’utilizzo di uno spettrografo misurare l’intensità totale

m

relativa del gas come una funzione della posizione nel cilindro ovvero (6.3)

85 Mediando i risultati sperimentali ci si riconduce ad una funzione

(6.4)

B

con coefficienti dati (Nestor Olsen). L’intensità di radiazione così misurata

k,n

mostra solitamente un picco al di fuori dell’asse del cilindro e corrisponde a circa

15000K , tutte le altre temperature sono state determinate mediante il rapporto tra

l’intensità emissiva locale e quella massima. Come evidente queste misurazioni non

potranno vantare una precisione particolarmente elevata. Un interessante passo

nella procedura proposta consiste nell’ipotesi di equilibrio termodinamico,

fondamentale per poter collegare la temperatura all’emissione radiativa. Reed

ammette di non essere in grado di verificare tale ipotesi e tuttavia suggerisce la sua

ragionevolezza basandosi principalmente su tre punti. In primis utilizza una formula

per determinare la differenza di temperatura tra elettroni e gas (nota leggermente

differente da quella vista in precedenza) (6.5)

E si nota che per pressioni atmosferiche (λ piccolo) ed intensità di campo E non

e

troppo elevate tale differenza dovrebbe essere trascurabile. In secondo luogo si

portano esempi di torce più conosciute (ad arco trasferito) in cui l’ipotesi di equilibrio

termodinamico sotto certe condizioni sembra ben verificata(molta più

sperimentazione a riguardo). In fine si verifica l’attendibilità dei risultati mediante un

bilancio di potenza considerando le proprietà termodinamiche del gas misurate in

condizioni che si avvicinano il più possibile a quelle operative. Tutti e tre i tentativi di

validazione sembrano dare credito ai risultati, ma notiamo che determinare un

ordine di grandezza per l’errore è cosa assai complicata.

I primi modelli assumevano il comportamento del plasma come quello di un cilindro

di composizione omogenea, dunque il cilindro di plasma si comporta al pari di un

cilindro di rame: essendo immerso in un campo magnetico il cilindro è soggetto al

fenomeno dello strato pelle, dunque le correnti parassite penetrano al suo interno

per una profondità che è legata alla frequenza del campo: (6.6)

σ ρ

dove è la profondità di penetrazione della corrente, è la resistività elettrica

ω µ

del conduttore, è la pulsazione angolare della corrente e la permeabilità

magnetica assoluta del conduttore. Miniaturizzando la generazione del plasma lo

strato pelle non può superare le dimensioni del plasma, dunque occorre utilizzare un

generatore ad elevata frequenza; per plasmi di grandi dimensioni, invece, occorre

utilizzare generatori a bassa frequenza. La torcia prevede l’utilizzo di 3 flussi di gas:

• il gas di plasma;

• il gas portatore: è un flusso che ha il compito di immettere determinati

composti all’interno del plasma, con lo scopo di ottenere un processo specifico.

Questo può essere un gas precursore, un liquido nebulizzato o un solido nella

[20µm−150µm];

forma di polveri micrometriche questo è il range ottimale dei

diametri delle particelle: al di sotto di questi valori si hanno problemi di fluibilità

mentre al di sopra si hanno problemi di otturazione.

64 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

• il gas di lavaggio è un flusso che scorre lungo le pareti del tubo, in modo da

raffreddarle ed evitare il raggiungimento di temperature critiche che

porterebbero al collasso della struttura.

La torcia è caratterizzata da bassi valori di rendimento:

alla camera di reazione arriva solo il 36% dell’energia in

quanto di tutta quella assorbita circa il 38% viene dissipata

dal generatore, il 17.5% viene dispersa dalle pareti del tubo,

il 4% viene utilizzato per il riscaldamento dell’avvolgimento e

il 4.5% viene disperso come calore sulla sonda in fase di

accensione. La velocità del plasma, in uscita dalla torcia è

compresa fra 50 e 150 m/s, dunque le torce rf non sono

adatte per una applicazione plasma spray in quanto per

questo processo sono richiese velocità in uscita dell’ordine di

700-900 m/s, pertanto vengono utilizzate delle torce ad arco

trasferito. Il processo di plasma spray è impiegato per la

realizzazione di rivestimenti superficiali: le particelle

alimentate alla scarica di plasma, a causa dell’elevata

temperatura, passano ad uno stato di materia fusa o

parzialmente fusa con una dimensione caratteristica

dell’ordine dei micrometri. Queste vengono poi accelerate

dal flusso di gas contro il substrato del materiale che deve

essere ricoperto. Gli spessori di rivestimento che si possono

ottenere variano nel range compreso tra i micrometri e i

millimetri, in relazio- ne alle caratteristiche che si vuole che il

plasma generato da una torcia rf.

Figura 6.2: Campo di temperatura nel materiale assuma in seguito al processo di

coating.

Mentre nelle torce da taglio si è visto che l’assialsimmetria è una caratteristica

fondamentale per ottenere elevati standard sulla qualità del taglio, le torce rf sono

caratterizzate intrinsecamente dalla mancanza di assialsimmetria nel campo di

temperatura del plasma: questo perchè l’avvolgimento in rame che circonda 87

il tubo di confinamento non presenta una simmetria rispetto all’asse del tubo stesso,

dunque il riscaldamento a cui è soggetto il gas non è assialsimmetrico, come può

essere osservato nell’immagine 6.2. Si elencano ora alcune delle possibili applicazioni

delle torce rf.

• Sferoidizzazione, densificazione e purificazione di particelle: con questo

processo si alimenta un flusso di particelle grezze all’interno del plasma rf:

riscaldate dall’alta temperatura del plasma le particelle fondono; uscite dalla

torcia si raffreddano e sono soggette a solidificazione. Per effetto della

tensione superficiale le particelle solidificano in una geometria che può

raggiungere il 99.9% del grado di sferoidizzazione. Il processo può essere

regolato agendo sul tempo di residenza delle particelle in camera di reazione

poichè in questo modo si può variare la frazione di particella che raggiunge

temperatura di fusione.

• Simulazione di rientro: è una simulazione che viene compiuta per testare i

materiali utilizzati per il rivestimento dei veivoli soggetti a rientro in atmosfera:

quando accade ciò l’attrito che si realizza fra il veivolo e l’atmosfera rilascia una

quantità di calore tale da far diventare il gas un plasma.

• Diagnostica di materiali presenti in traccia. Questa viene compiuta con

apparecchi ICP-OES (Inductive Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy)

e ICP-MS (Inductive Coupled Plasma-Mass Spectroscopy). Un apparecchio ICP-

MS può essere visto come l’unione di 4 processi principali: introduzione di un

campione e generazione dell’aerosol, ionizzazione operata da una sorgente di

plasma in argon, discriminazione della massa e un sistema di rilevamento.

Questo strumento è capace di rilevare concentrazioni molto piccole come parti

per trilione.

Con l’apparecchio ICP-OES si inietta un campione liquido all’interno di un

plasma in argon. Il materiale campione, avvicinandosi al plasma, si secca,

vaporizza e si energizza per mezzo di eccitazione collisionale. L’emissione

atomica emessa dal plasma viene acquisita tramite la fessura di un dispositivo

di selezione di lunghezza d’onda. Si possono operare misure a singolo elemento

combinando un monocromatore con un tubo fotomoltiplicatore mentre

determinazioni simultanee multielemento possono essere effettuate

combinando un policromatore e un insieme di rilevatori.

• Coating: è una possibile applicazione già identificata da Reed nel proprio

articolo. Il processo prevede la formazione di un rivestimento, con uno

specifico materiale, sulla superficie di un oggetto da trattare. Questa procedura

è utilizzata nella realizzazione delle fibre ottiche, in cui è necessario compiere

una deposizione SiO . Una fibra ottica è costituita da un insieme di tubi di vetro

2

concentrici al cui centro è presente un tubo di vetro silice puro con alcuni

droganti (come il Germanio). La fibra ottica viene costruita in modo tale da

ottenere un determinato profilo radiale dell’indice di rifrazione: in questo

modo un raggio di luce che entra nella fibra viene specchiato senza uscire dalla

fibra stessa. L’unico effetto che si ha è una leggera attenuazione del raggio. Il

core in vetro silice puro è realizzato con torce plasma rf.

• Sintesi di materiali MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition).

• Produzione di nanopolveri. La tecnica di realizzazione di nanopolveri con torce

rf è una fra dieci possibili metodi. Come in altri casi descritti in precedenza vi è

l’immissione di particelle micrometriche all’interno del plasma: queste

fondono e vaporizzano; in seguito, raffreddandosi, condensano e danno luogo

alla formazione di particelle solide con elevato grado di sferoidizzazione. Le

nanopolveri vengono utilizzate nei campi della cosmesi, nella realizzazione di

catalizzatori e nella realizzazione di batterie ricaricabili agli ioni di litio.

66 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

Brevetto Boulos 1991 Osservando questa versione più moderna di torcia in Radio

Frequenza si nota come la struttura sia assai simile all’originale, diversamente di

quanto visto accadere per le torce da taglio; in particolare il brevetto riguarda un

metodo efficace per il raffreddamento del contenimento del plasma e l’introduzione

di un ugello (non restrittivo) che condivide il percorso dell’acqua di raffreddamento

con il tubo principale. Il raffreddamento della struttura è particolarmente critico per

poter raggiungere potenze elevate, ed è particolarmente complesso in quanto un

tubo di confinamento deve sopportare temperature relativamente elevate, avere

eccezionale resistenza a shock termici e non deve assorbire le radio-frequenze.

L’utilizzo di pareti a pacchi di lamierini a protezione del confinamento plasma

comunemente utilizzato presenta il problema di una forte riduzione di rendimento,

mentre i comuni confinamenti di ceramica porosa offrono una protezione limitata. Il

confinamento oggetto del brevetto è composto di materiali ceramici puri o

compositi, a base di nitrati di silicio boro alluminio ed allumina in combinazioni varie;

presentano un’ottima conducibilità termica, elevatissima resistenza elettrica e una

buona resistenza a shock termici. L’ottima conducibilità termica permette di sfruttare

un raffreddamento ad acqua in convezione forzata ad alta velocità per asportare

calore con grande efficacia, il che permette di raggiungere potenze maggiori e

trattare plasmi a temperature più elevate. L’elevata resistenza elettrica permette una

maggiore libertà sul posizionamento della bobina ed in particolare sulla distanza tra

la bobina ed il plasma che può ora essere studiata con il fine di migliorare l’efficienza

di accoppiamento tra bobina e plasma.

Capitolo 7

I plasmi DBD

I plasmi di non equilibrio termico sono interessanti per applicazioni industriali non

distruttive; in essi infatti la temperatura macroscopica è relativamente bassa, tale da

consentire il trattamento di determinate superfici in modo da conferire a queste

alcune proprietà. I plasmi di non equilibrio possono essere impiegati per la

sterilizzazione del cibo, la sterilizzazione di materiali utilizzati nel packaging,

aumentare l’adesione fra materiali, aumentare la possibilità di tingere materiali e

tessuti, aumentare la bagnabilità. I vantaggi di questi plasmi risiedono nella non

necessità di utilizzo di un apparato per la realizzazione di depressioni, nella facilità di

implementazione in catene di produzione esistenti, nel non produrre rifiuti chimici,

nel non avere un elevato costo e nella capacità di adattarsi a geometrie irregolari.

I plasmi di non equilibrio a bassa temperatura possono essere generati a bassa

−5 −2 −2

pressione (10 <p<10 bar) o ad alta pressione (p>10 bar). I primi sono

caratterizzati da un più semplice principio di generazione in quanto ad una bassa

pressione gli elettroni hanno un più elevato libero cammino medio, dunque possono

più facilmente generare ionizzazione con un singolo urto, ottenendo così un plasma

di non equilibrio. Questi sono plasmi ad alta attività chimica, dunque adatti al

trattamento superficiale, però necessitano di una complessa struttura per il

mantenimento della bassa pressione e possono essere utilizzati per applicazioni ex

vivo, dunque di sterilizzazione o di biocompatibilizzazione.

I plasmi di non equilibrio ad alta pressione sono caratterizzati da un’elevata densità

di specie reattive ossidanti, da una più ampia varietà di specie reattive nella scarica

di plasma, da una semplice struttura del dispositivo che li genera e dalla possibilità di

essere utilizzati per applicazioni in vivo, dunque di disinfezione, di cura delle ferite,

della coagulazione del sangue e in campo di cura dentale. Il plasma di tipo DBD,

ovvero Dielectric Barrier Discharge, è generato da un apparecchio costituito da un

generatore di corrente alternata ad alta tensione al quale è connesso un elettrodo in

rame. Davanti all’elettrodo vi è un gap d’aria e una piastra di materiale dielettrico,

generalmente quarzo: questa ha la funzione di impedire la transizione della scarica

da plasma di non equilibrio a plasma ad arco.

Il plasma così generato può essere sia omogeneo che filamentoso: tale caratteristi-

68 CAPITOLO 7. I PLASMI DBD

ca dipende dalle condizioni operative e dal generatore d’alta tensione utilizzato. Si è

visto che con un generatore micro e nano pulsato è possibile ottenere scariche più

uniformi rispetto a quelle ottenute con un generatore alternato. La caratteristica di

micro e nano pulsato è relativa al tempo caratteristico con il quale il generatore crea

l’impulso di tensione. L’impulso è caratterizzato da un tempo di elevazione, nel quale si

ha l’incremento della tensione da valore nullo a valore nominale, e dal tempo di durata

dell’impulso. Si riportano alcune caratteristiche per i tre tipi di generatori sopra

menzionati. 0 − 60kV 15 − 25kV 7 − 20kV

Voltaggio 0 − 5000Hz

Frequenza - -

50 − 3500Hz 50 − 1000Hz

Rateo di ripetizione - 1 − 10µs ∼ 40ns

Durata dell’impulso - ∼ 5µs 3ns

Tempo di elevazione -

Tabella 7.1: Valori caratteristici per generatori ad alta tensione in commercio.

Per la generazione del plasma DBD si possono ottenere differenti configurazioni di

sorgenti:

• DBD roller: si hanno due elettrodi a forma di cilindro i quali hanno un’anima in

rame e sono esternamente rivestiti da uno strato di nylon come materiale

dielettrico. Uno dei due elettrodi è connesso al generatore mentre il secondo è

connesso alla terra del generatore. Il gas utilizzato è aria.

Figura 7.1: Sorgente DBD roller e suoi possibili impieghi. 69

La sorgente DBD roller può essere impiegata, come riportato nell’immagine 7.1,

per il trattamento di grandi superfici: il trattamento può avvenire in modo diretto,

con la superficie da trattare che attraversa la scarica di plasma (come riportato

nell’immagine a sinistra), oppure in modo indiretto, con la superficie che viene

tenuta al di sotto del generatore (come riportato nell’immagine di destra).

• Planar DBD: Con questa configurazione gli elettrodi hanno la geometria di un

foglio e vengono utilizzati per generare un plasma che ricopre per intero una

determinata superficie.

Figura 7.2: Esempio di sorgente planar DBD.

In questo caso il gas utilizzato è sempre aria e il materiale dielettrico è posto

sull’elettrodo di terra. Mentre con la sorgente roller era possibile trattare

un’elevata superficie facendo scorrere la stessa attraverso la scarica di plasma

oppure sotto la sorgente, con la sorgente di tipo planar è possibile trattare

superfici elevate anche in modo statico.

• Linear corona: questo tipo di sorgente è strutturalmente differente rispetto alle

precedenti in quanto, come può essere visto nell’immagine 7.3, non è presente il

materiale dielettrico.

Figura 7.3: Composizione di una sorgente linear corona e suo possibile metodo di utilizzo.

La transizione a plasma ad arco è impedita attraverso la forma d’onda della tensione

generata dal generatore. Attraverso un metodo di diagnostica con iCCD imaging è

70 CAPITOLO 7. I PLASMI DBD

possibile andare a definire le migliori condizioni operative utili ad ottenere

determinati risultati. Per esempio si è confrontato il funzionamento con un differente

gap fra sorgente e superficie da trattare, in modo combinato con un differente picco

di voltaggio. Si è visto che con una configurazione gap-voltaggio 1mm-9kV si ottiene

una scarica di plasma molto omogenea mentre con una configurazione 3mm-16kV si

ottiene una scarica di tipo filamentoso. L’elettrodo, connesso al generatore ad alta

tensione, ha una forma a lama. Questa sorgente può essere utilizzata per eseguire dei

trattamenti più localizzati rispetto alle precedenti.

• FE-DBD: è una sorgente di tipo DBD in cui un elettrodo è connesso con il

generatore ad alta tensione mentre il secondo elettrodo è costituito da un corpo

conduttivo esterno; la particolarità è che il secondo elettrodo non è posto a terra,

dunque il suo potenziale rimante flottante. La sorgente è particolarmente adatta

all’applicazione in ambito medicale poichè in questo modo agisce da elettrodo la

superficie che deve essere trattata. Nell’immagine 7.4 è schematizzata una

sorgente FE-DBD realizzata da Almaplasma contenente un elettrodo in rame

avente un diametro di 30mm e una lunghezza di 45mm, ricoperto da uno strato di

materiale plastico; il dielettrico utilizzato è un disco di quarzo con un diametro di

33mm ed uno spessore di 0.5mm.

Figura 7.4: Schema di una sorgente FE-DBD.

• Dual Gas Plasma Jet: è una sorgente che sfrutta due diversi gas di plasma, elio e

argon, per la generazione di una piuma di plasma. Vengono utilizzati due differenti

gas poichè l’elio consente di ottenere una scarica più lunga e con una forma più

definita mentre con l’argon si produce una maggiore quantità di specie reattive


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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti di Applicazioni industriali dei plasmi per l'esame del professor Colombo. Gli argomenti trattati sono i seguenti: i fondamenti sulla fisica dei plasmi termici, ambiti di applicazione industriale, i plasmi termici ad induzione per la diagnostica chimica-fisica, i plasmi termici ad arco trasferito per il taglio di materiali metallici, il trattamento di polveri metalliche e ceramiche con plasmi termici ad induzione.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria energetica
SSD:
Università: Bologna - Unibo
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Marco8Ing di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Applicazioni Industriali dei Plasmi e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Bologna - Unibo o del prof Colombo Vittorio.

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