06-Descarga-DC

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Universidade Federal do Paraná 
Setor de Tecnologia 
Departamento de Engenharia Mecânica 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
TMEC121 
Introdução a Plasma para 
Tratamento de Materiais 
Descarga DC 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Cronograma 
Aula Data Atividade 
1 06/ago Regras/Introdução (2h) 
2 13/ago Aspectos gerais (2) 
3 17/ago Visita ao LTPP (3h) 
4 20/ago Noções de vácuo para plasma a baixa pressão (2) 
5 24/ago 
Plasmas quentes e plasmas frios (noções de equilíbrio e 
distribuição de energia das espécies) (3) 
6 27/ago 
SEMANA ACADÊMICA DE ENG. MECÂNICA (SAEM) 
7 31/ago Descargas elétricas (3h) 
8 03/set Prova 01 (2h) 
9 07/set FERIADO 
10 10/set Colisões no plasma 
11 14/set Descarga DC 
12 17/set 
Interação plasma superfícies/Exemplos de tratamentos de 
materiais por plasma 
13 21/set Exemplos de tratamentos de materiais por plasma 
14 24/set 
SEMANA INTEGRADA DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO 
(SIEPE) 
Prova 02 
10/dez Final (na semana de finais) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Objetivos 
• Após ter entendido alguns aspectos fundamentais, 
importantes nos plasmas, o objetivo desta aula é 
entender com mais detalhe o funcionamento de uma 
descarga DC para entender sua aplicação no 
tratamento de materiais 
• Mas..... O que seria uma descarga DC (direct current 
– corrente contínua)? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Iniciando um plasma DC 
•Qual a importância da distância entre eletrodos??? 
•Como se transfere energia para o “meio” neste caso? 
•Se a taxa de criação de íons for maior que a taxa de recombinação o 
plasma é iniciado (descarga auto sustentada) 
V 
Â
n
o
d
o
 
C
á
to
d
o
 
Negativamente 
polarizado 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Plasma – DC (Direct Current) – corrente contínua 
 Descargas elétricas - Regimes 
Townsend – avalanche (luminescência desprezível) 
Corona em diante -> auto sustentada 
Normal -> maior corrente -> maior recobrimento do eletrodo 
Anormal -> recobre o eletrodo 
Arco -> emissão termiônica de elétrons 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Rompimento do dielétrico 
(breakdown) 
Lei de Paschen -> 
isolante -> condutor 
 
p -> colisões 
d -> campo elétrico 
 
O que causa o início 
do plasma? 
d 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Mudança de regime e histerese 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Arquitetura de uma descarga CD 
anormal (simplificada) 
Após o inicio da descarga 
cargas são criadas e a 
distribuição do campo elétrico é 
alterada -> campo elétrico mais 
intenso nas bainhas 
(principalmente catódica) 
 
Três regiões são facilmente 
distinguíveis (bainhas catódica 
e anódica e a região 
luminescente) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Foto de uma descarga DC - entre 
eletrodos não paralelos 
A descarga não fica 
restrita à região entre 
eletrodos 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Arquitetura de uma descarga CD 
anormal (simplificada) 
Íons positivos acelerados para 
os eletrodos e elétrons 
acelerados para a região 
luminescente -> mas.... De 
onde veem os elétrons 
agora??? 
 
Importância das interdição na 
superfície dos eletrodos 
(principalmente o cátodo) 
 
Porque a interação com o 
cátodo é mais importante? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
 
Plasma-Surface 
interface 
Ion Neutral specie Electron Metallic atom 
Structural 
rearrangement Ion 
implantation 
Heating 
Secondary 
electrons 
Reflection of ions 
and neutral 
species 
Sputtering 
Interação plasma-superfície 
(emissão de elétrons secundários) 
Chemical interaction 
Reflexão de íons 
e espécies 
neutras rápidas 
Elétrons 
secundários 
Pulverização 
catódica 
(Sputtering) 
Aquecimento 
Interações químicas 
Implantação 
iônica 
Reorganizaçã
o estrutural 
Interface 
 Plasma-
Superfície 
Íon Espécie 
neutra 
Elétron Átomo metálico 
Responsável por 
realimentar (sustentar) 
o plasma 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Coeficiente de emissão de elétrons 
secundários 
(elétrons por íon incidente) 
Depende do íon incidente, de sua energia e do material do eletrodo! 
Durante um tratamento utilizando plasma o material do eletrodo pode variar ao 
longo do tratamento 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Variação espacial de algumas 
grandezas (arquitetura real) 
Coluna positiva desaparece para 
distancias entre eletrodos menores, 
típicas dos tratamentos por plasma, 
restando somente as bainhas e a 
região de luminescência negativa -> 
motivo da arquitetura simplificada 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Bainha 
Íons entram na pré-bainha por 
difusão (movimento aleatório) e 
são acelerados para a bainha, 
onde ganham a maior parte de 
sua energia, até colidir com o 
cátodo ou sofre troca de carga 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Onde ocorrem principalmente os 
processos colisionais 
Ocorrem 
principalmente 
na região 
luminescente 
Porque????? 
Necessita de energia mínima para ocorrer 
(que energia é essa?) 
Ocorrem principalmente nas paredes do 
reator em plasma a baixa pressão (mas 
podem ocorrer em volume – alta pressão) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Onde ocorrem principalmente os 
processos colisionais 
Ocorrem 
principalmente 
na região 
luminescente 
Porque???? 
Necessita de energia 
mínima para ocorrer 
(que energia é essa?) 
Responsável pela 
luminescência do 
plasma 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Onde ocorrem principalmente os 
processos colisionais 
+ 
+ 
antes depois 
Troca de carga pode ocorres em 
diferentes regiões, mas sua 
consequência principal é sentida na 
bainha catódica (energia dos íons e 
criação de espécies neutras rápidas) Trocas de carga simétricas são as 
mais prováveis (balanço de energia) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Aspectos tecnológicos importantes 
• Necessidade de evitar arco (mais crítico em 
sistemas industriais -> grandes) 
– Evitar sobreaquecimento e “sujeira” 
– Utilização de descargas DC pulsadas 
 
– Utilização de fontes bipolares (“nem tão DC 
assim”) -> descarregar partes isolantes 
– Utilização de fontes com sistemas rápidos (tempo 
de reação da ordem de nano segundos [ns]) de 
controle de arco 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Condições de operação x aplicação 
(catodos de forma variada - peça) 
• Influencia das variáveis de operação - pressão 
e tenção: 
– Espessura da bainha 
– Concentração e energia 
das espécies.... 
O que esperar da forma do campo com P e V? 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Condições de operação x aplicação 
(catodos de forma variada - peça) 
• Efeito de borda/geometria 
Fluxo de íons na região plana ≠ Fluxo de 
íons nas extremidades 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Condições de operação x aplicação 
(catodos de forma variada - peça) 
• Efeito de catodo oco 
Efeito de cátodo oco 
Concentração iônica furo >> 
concentração iônica região plana 
 Pressão intermediária 
 d.p entre 0,375 e 3,75 CÁTODO OCO 
CÁTODO 
Concentração iônica furo (“zero”)<< 
concentração iônica região plana 
 Pressão baixa 
CÁTODO 
Concentração iônica furo  
concentração iônica região plana 
 Pressão elevada 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
O efeito de cátodo oco 
• O efeito de cátodo oco (d.p = 0,375 a 3,75) 
Movimento oscilatório dos elétrons entre os cátodos -> maior distancia percorrida 
-> transferência de energia maior na região entre eletrodos (mais “concentrada”) 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
Magnetron (outra descarga DC) 
A descarga magnetron é uma 
alternativa para gera plasma a 
baixa pressão com maior 
densidade 
 
Os elétrons são “aprisionados” no 
campo magnético -> percorrem 
maior caminho -> sofrem mais 
colisões 
 
A descarga magnetron é uma 
alternativa interessante e bastante 
empregada para Sputtering a baixa 
pressão (deposição de filmes - 
PVD) 
Atenção!!!! 
Ainda existem muitas outras 
variações de descargas DC 
Prof. Rodrigo Perito Cardoso 
É importante lembras 
• Fenômenos envolvido no início da descarga 
• Regimes da descarga 
• Arquitetura
da descarga e locais onde ocorrem 
as principais reações colisionais 
• Importância da interação plasma superfícies 
para a manutenção da descarga 
• Aspectos tecnológicos envolvidos 
• Noções de funcionamento das descargas de 
cátodo oco e Magnetron