Espectroscopía de dos fotones de alta precisión en isótopos de hidrógeno para la medida del campo eléctrico en plasmas generado en descargas de cátodo hueco

Résumé

La intensidad del campo eléctrico local es uno de los parámetros importantes para el estudio de una descarga, puesto que controla el flujo de electrones e iones, además de sus distribuciones de energía y densidades de carga. El campo eléctrico presente en la descarga es además clave a la hora de realizar modelizaciones sobre su comportamiento global, por lo que contar con medidas detalladas y de calidad tiene un especial interés para la comunidad de física de plasmas, existiendo una demanda continua de esta clase de datos. Se han desarrollado distintos métodos experimentales para determinar el campo eléctrico, siendo las diferentes técnicas de espectroscopía láser las que proporcionan una mayor resolución espacial y temporal. En esta tesis se ha medido la intensidad del campo eléctrico local en la zona de cátodo en una descarga de cátodo hueco en régimen de glow-discharge operada en hidrógeno y deuterio, en un amplio rango de presiones y corrientes. El método empleado se basa en el estudio del desdoblamiento y desplazamiento Stark en el nivel n=2, alcanzado mediante la absorción de dos fotones de 243 nm, circularmente polarizados en sentidos opuestos ΔL=0 y avanzando en direcciones contrarias, para eliminar el efecto Doppler. Cuando el átomo se encuentra en el estado 2S, es fácil que se fotoionice por la absorción de un tercer fotón, modificando la impedancia del plasma. Esta modificación se detecta como la caída del voltaje en una resistencia. Está técnica, que se conoce como espectroscopía optogalvánica, es el método de detección empleado en esta tesis. Finalmente, el valor del campo eléctrico local se determina comparando la separación de las componentes Stark del nivel 2S con los valores teóricos. Se han realizado medidas para la determinación del campo eléctrico en cuatro cátodos diferentes: dos de acero inoxidable, de 10 y 15 mm de diámetro interior; y dos de tungsteno, con los mismos diámetros para el estudio de la influencia del tamaño del cátodo en las características de la descarga. Las medidas se han realizado para distintas presiones desde 400 a 1350 Pa y corrientes (desde 50 a 300 mA), siempre manteniendo la misma densidad de corriente para los cátodos de diferente diámetro. Los resultados muestran cómo las caídas del campo eléctrico son independientes de la geometría de la descarga, por lo que son directamente comparables con otras medidas llevadas a cabo en geometrías muy diferentes, especialmente con descargas plano-paralelas. Además, el rango experimental cubierto es muy amplio frente a las diferentes medidas recogidas en la literatura. Se ha llevado a cabo también un estudio de la influencia del material del cátodo en la descarga. Se ha comprobado que los valores de la intensidad de campo eléctrico medidos en cátodos de tungsteno siempre son mayores que los correspondientes en cátodos de acero inoxidable para idénticas condiciones experimentales del plasma (presión, corriente y diámetro). El causante de este comportamiento es el sputtering, es decir, las partículas metálicas arrancadas del cátodo durante su operación; despreciables en cátodos de tungsteno pero no en los cátodos de acero inoxidable, condicionando todas sus características. Por tanto, en tungsteno se puede garantizar un plasma de hidrógeno puro. Se ha completado esta comparación con un estudio fotográfico de las descargas. Finalmente, se han aplicado dos modelos clásicos a las caídas de campo eléctrico medidas en cátodos de tungsteno. Estos modelos han permitido acceder a diferentes parámetros de la dinámica del plasma, como la energía media de todos las especies iónicas implicadas, el recorrido libre medio en la zona de cátodo, etc.; resultando un punto de partida muy prometedor para futuras investigaciones. Se completa el trabajo incorporando las primeras medidas realizadas en deuterio y comparando con sus homólogas en hidrógeno.