BRPI0802583A2 - microplasmas excitados por descargas elétricas de rádio-freqüência em pressão atmosférica e seu processo de geração - Google Patents

Abstract

MICROPLASMAS EXCITADOS POR DESCARGAS ELéTRICAS DE RáDIO-FREQüêNCIA EM PRESSãO ATMOSFéRICA E SEU PROCESSO DE GERAçãO. A presente invenção refere-se a microplasmas (6) excitados por ondas eletromagnéticas produzidas a partir de um gerador compacto de rádio-freqüência (gerador-RF) na faixa de freqUência de 144-146 MHz, operando entre 5W e 50W de potência (1), e seu respectivo processo de geração que é baseado em um circuito elétrico no qual um filtro acoplador de impedância do tipo-L (3) está conectado a eletrodos de estrutura coaxial (11 e 12), separados por um composto cerâmico (10), entre os quais se formam os campos elétricos associados com o mecanismo de ruptura dielétrica de uma mistura gasosa contendo um gás inerte e outro gás reativo, para a criação dos microplasmas. O fluxo da mistura gasosa (4) atravessa o eletrodo interno (12) do circuito elétrico utilizado no processo. Por fim, os microplasmas produzidos pelo processo da presente invenção são caracterizados por apresentar: portabilidade; tensões que variam entre 100V e 450V; correntes elétricas entre 0,9A e 3,5A; temperaturas medidas que variam de 350K a 3000K; e densidades eletrónicas observadas entre 0,1 x 1015 e 1,4 x 1015 elétrons por centímetro cúbico.

Description

"MICROPLASMAS EXCITADOS POR DESCARGAS ELÉTRICAS DERÁDIO-FREQÜÊNCIA EM PRESSÃO ATMOSFÉRICA E SEU PRO-CESSO DE GERAÇÃO".

A presente invenção refere-se a microplasmas excitados

por ondas eletromagnéticas produzidas a partir de um gerador compacto de radiofreqüência (gerador-RF) na faixa de freqüência de 144-146 MHz, operando entre5W e 50W de potência, e seu respectivo processo de geração que é baseado emum circuito elétrico no qual um filtro acoplador de impedância do tipo-L está' / conectado a eletrodos de estrutura coaxial, que estão separados por um composto/ cerâmico, entre os quais se formam os campos elétricos associados com o meca-nismo de ruptura dielétrica de uma mistura gasosa contendo um gás inerte e outrogás reativo, para a criação dos microplasmas.

Por definição plasmas que são gerados em dimensões espaciais iguais ou inferiores a um milímetro são denominados por microplasmas.

Atualmente, muitas pesquisas estão sendo desenvolvidas com base em microplasmas formados em pressão atmosférica, uma vez que este tipo de produto possui uma vasta aplicabilidade no setor industrial.

Podem ser destacadas como sendo as principais áreas deatuação destes microplasmas o tratamento de superfícies poliméricas, a deposição de filmes finos em substratos, a corrosão em placas de circuitos eletrônicosimpressos, o tratamento de células e tecidos orgânicos vivos, o combate a micro-organismos nocivos à saúde humana, o tratamento de cáries dentárias, a análisede poluentes químicos, a hidrólise e fermentação da celulose de cana-de-açúcar,bem como algumas aplicações aeroespaciais tais como propulsores de nanosatélites e atuadores que diminuem a turbulência em asas de aviões.

Em geral, os microplasmas gerados em alta pressão possuem densidades eletrônicas entre IO13 e IO15 elétrons por centímetro cúbico, bemcomo um intervalo de temperatura do gás que varia de 300K a 3000K. Isto é umaconseqüência do fato de que estes microplasmas podem ser obtidos por diferentesconfigurações de processos.O trabalho de A. Yanguas-Gil e colaboradores [Jounal ofApplied Physics 101 (2007) 103307 1-8] utilizou uma fonte de 13,56MHz compotências entre 15W e 30W aplicada a uma estrutura coaxial através da qual passam 3 litros por minuto de argônio ou de 1 a 2 litros por minuto de hélio. A partirde tensões de ruptura entre 200V e 250V, são produzidos microplasma em pressão atmosférica com correntes elétricas de 0,5A a 0,58A, associados a baixa temperatura (cerca de 400K) e densidades eletrônicas em torno de 8 x IO14 elétronspor centímetro cúbico.

Y. C. Hong e H. S. Uhm [Applied Physics Letters 89(2006) 221504 1-3] criaram microplasmas de nitrogênio em pressão atmosféricacom 6,5 cm de comprimento e 500um de diâmetro, aplicando-se uma fonte e20kHz com 10W de potência. A tensão e a corrente elétrica pico-a-pico associadas a este microplasma são 1,92 kV e 1,02A, respectivamente. A partir de técnicas espectroscópicas foram determinadas a temperatura do microplasma gerado

(300K), bem como sua densidade eletrônica (1,71 x 1013 cm"3). Com estas características, este microplasma pode ser aplicado no tratamento de materiais biológicos, inclusive em pele humana sem causa de danos.

E. Stoffels e colaboradores [Plasma Source Sei. Technol.11 (2002) 383-388] através de um gerador operado em 13,56MHz entre 2W e

8W de potência formaram microplasmas com tensões entre 200V e 500V, apresentando temperaturas de 300K a 500K a fim de utilizar este produto para o tratamento de células e tecidos orgânicos vivos.

T. Ichiki e colaboradores [Plasma Source Sei. Technol. 12(2003) S16-S20] criaram um microplasma térmico indutivo em pressão atmosférica com 10,0mm de comprimento (com fluxo de 0,8 litros por minuto) a fim dedesenvolver um sistema portátil para a análise de amostras líquidas. Usando umtransmissor em VHF compacto a 144,0MHz com potência de 50W, que é conectado a um acoplador de impedância tipo-Il, foram produzidos microplasmas comdensidade eletrônica com cerca de 1,0 x 1015 elétrons por centímetro cúbico.É ainda conhecida a patente WO2005/125286A3 que se refere à invenção de um dispositivo para tratar substratos com o auxílio de pelomenos um jato de plasma. Esse dispositivo inclui um tubo externo o qual estáconectado aos eletrodos do sistema. Um segundo tubo, que é interno ao primeiro,complementa a estrutura coaxial deste invento. Neste caso, um gás inerte fluipelo espaço livre entre os dois tubos, enquanto um gás reativo passa através dointerior do tubo interno. Este dispositivo é caracterizado pelo fato de que estesdois eletrodos estão separados por meio de uma barreira dielétrica, enquanto umatensão alternada RF é aplicada entre tais eletrodos, a fim de criar um plasma em pressão atmosférica. Neste caso, a tensão aplicada varia entre 100V e lOkV correspondentes ao intervalo de freqüência de 1Hz a 30KHz, cujos plasmas apresentam baixas temperaturas (da ordem de 280K).

De forma geral, com referência a processos de aplicação decircuitos eletrônicos RF que geram microplasmas, ocorrem problemas como perdas por radiação e aquecimento através dos componentes eletrônicos destes circuitos. Tais características dificultam o acoplamento de impedância do circuitoem questão.

Outro problema constatado no funcionamento deste tipo decircuito eletrônico está na escolha do material dielétrico que é utilizado para separar os eletrodos que geram os microplasmas. Em geral, estes eletrodos atingemaltas temperaturas. Assim, se o material dielétrico não suportar temperaturas elevadas pode fazer com que o mesmo se quebre ou derreta. Neste caso, este material dielétrico não promove um isolamento elétrico adequado, possibilitando aformação de descargas em arco entre os eletrodos, não permitindo que uma descarga luminescente se estabeleça, isto é, o microplasma.

Por fim, dependendo do produto que se deseja muitas vezesestes microplasmas têm que ser fabricados em baixas pressões (da ordem de dezenas de Torr). Neste caso, os equipamentos envolvidos exigem o uso de câmaras acopladas a sistemas de bombeamento a vácuo, o que acarreta em um maior custo financeiro na elaboração do projeto, bem como para a manutenção destesequipamentos, se comparado com projetos e equipamentos aplicados para formação de microplasmas em pressão atmosférica.

Dentro do cenário anteriormente apresentado, a presenteinvenção oferece alguns benefícios tanto no que se refere ao processo aplicadoquanto ao tipo de produto obtido por este processo. Considerando-se o empregode materiais e componentes eletrônicos, esta invenção utiliza aqueles que minimizam os processos de perdas por radiação e aquecimento. Ao mesmo tempo,referente ao acoplamento de energia entre o gerador e a carga do circuito (isto é,o microplasma), é empregado um filtro acoplador de impedância do tipo-L, que permite a transferência de energia necessária para a criação dos microplasmas.

Além disso, são empregados como materiais dielétricos entre os eletrodos compostos cerâmicos com alto grau de pureza e que dissipamcalor com bastante eficiência, a fim de evitar o contato elétrico entre os eletrodose gerar uma maior estabilidade dos microplasmas produzidos. Ainda associado ao material cerâmico utilizado no processo, existe um compromisso de se refrigerar os eletrodos que formam estes microplasmas, que no caso coaxial está relacionado com o fluxo de gás que atravessa esta estrutura, que em nosso experimento está entre 0,5 e 1,0 litro por minuto. Desta forma, a vida útil do compostocerâmico é melhorada, permitindo uma maior durabilidade da descarga luminescente (isto é, do microplasma) sem a interferência de descargas em arco. No casodo processo da presente invenção, cerca de 12h ininterruptas de funcionamentodos microplasmas foram registradas quando a potência de operação era máxima(50W).

Como já mencionado, o menor custo associado com a produção de microplasma gerados em pressão atmosférica é outra vantagem que deve ser apresentada no processo da presente invenção, se comparado com aquelereferente à geração de plasmas submetidos à baixa pressão, que exigem um sofisticado sistema de bombeamento a vácuo. Por fim, existe a possibilidade de portabilidade do produto da presente invenção (microplasmas) uma vez que o mesmo pode ser gerado em pressão (ambiente) atmosférica e possuir dimensões mi-limétricas e, além disso, a configuração do equipamento empregado, neste caso,ser bastante compacta pelo fato da produção de microplasmas atmosféricos ser apartir de potências da ordem de dezenas de watts.

O produto da presente invenção refere-se a microplasmas cujo processo de geração ocorre em uma mistura gasosa contendo um gás inerte(gases raros) e outro gás reativo (gases moleculares) submetida à pressão atmosférica a partir de um acoplamento capacitivo utilizando-se um filtro acoplador deimpedância do tipo-L em um circuito com gerador compacto de rádio-freqüência(gerador-RF) em 144-146 MHz com potências de operação entre 5W e 50W.

Os microplasmas criados, que são produtos da presente in-venção, apresentam comprimentos entre 5,0mm e 20,0mm com diâmetros del,0mm, conforme a potência aplicada no sistema. Destacamos aqui que o comprimento máximo por nós obtido é o dobro daquele comprimento conseguido porIchick e colaboradores (10,0mm) os quais aplicaram as mesmas condições deoperação do gerador-RF, mas com um acoplamento indutivo, ao passo que o nosso acoplamento é capacitivo (eletrodos de estrutura coaxial). O fato do uso deacoplamento capacitivo ao invés do indutivo permite o efeito técnico de maiortransferência de energia por volume ao longo do processo de geração dos microplasmas.

A causa deste ganho é devido ao fato de que Ichick e colaboradores fazem utilização de um filtro acoplador de impedância do tipo-EÍ emseu circuito. Este filtro-El apesar de facilitar o acoplamento de energia, promovegrandes perdas por efeito Joule no circuito. Dessa forma, ao utilizarmos um acoplador de impedância do tipo-L em nosso processo, foi possível a transferênciade no mínimo 85% da energia aplicada ao longo da geração dos microplasmas.

Além disso, o produto da presente invenção também sedestaca por realizar a ruptura da rigidez dielétrica do meio para a formação dosmicroplasmas com tensões entre 100V e 450V para potências entre 5W e 50W.

Estas tensões são compatíveis com aquelas medidas por E. Stoffels e colaboradores (entre 200V e 500V para potências de 2W a 8W) e por Yanguas-Gil e colabo-radores (entre 200V e 250V para potências de 15W a 30W). A tensão na ordemde centenas de volts permite uma maior segurança na manipulação do produtobem como reduz a energia consumida para geração do microplasma.

Ainda associado com os microplasmas formados pela presente invenção, são observadas correntes elétricas entre 0,9A e 3,5A para potências entre 5W e 50W e tensões entre 100V e 450V. Vemos que estas correntessão bem maiores do que aquelas obtidas por Yanguas-Gil e colaboradores (0,5Aa 0,56A) cuja faixa de potência e tensão são semelhantes às nossas. A correnteelétrica de 1,02A medida por Hong e Uhm é compatível com o limite inferior denossa corrente elétrica, mas estes aplicam uma tensão da ordem de kVolts parauma potência operacional de 10W. Isto demonstra que conseguimos correntessignificativas com potências e tensões de operação reduzidas, o que denota a eficiência de nossa invenção.

O intervalo de temperatura verificado ao longo do microplasma gerado pela presente invenção está entre 350K e 3000K para potênciasentre 5W e 50W. O limite inferior de nossa temperatura é próximo daquele encontrado por Yanguas-Gil e colaboradores que é de 400K para uma fonte de13,56MHz com potências entre 15W e 30W; por Hong e Uhm que é de 300Kpara uma fonte de 20kHz com potência de 10W; e por E. Stoffels e colaboradoresque está entre 300K e 500K para uma fonte de 13,56MHz com potências entre2W e 8W. Novamente podemos destacar a eficiência de nosso processo se comparado aos demais, uma vez que nosso produto final apresenta um conjunto detemperaturas de centenas a milhares de Kelvin, o que permite aplicação de nossos microplasmas em diferentes áreas.

Finalmente, as densidades eletrônicas derivadas da presenteinvenção estão entre 0,lxl015 e l,4xl015 elétrons por centímetro cúbico. Emcomparação com as densidades eletrônicas fabricadas por Yanguas-Gil e colaboradores, bem como por Hong e Uhm, os nossos valores de densidades eletrônicaspara o intervalo apresentado são maiores. Por outro lado, existe uma compatibilidade de ordem de grandeza entre nossas densidades eletrônicas e aquela encon-trada por Ichick e colaboradores. Portanto, mesmo utilizando energias menoresou semelhantes aos trabalhos apresentados, nossos microplasmas são bastantedensos em termos de partículas carregadas. Isto é interessante quando em algumtipo de processo é necessário um conjunto de espécies reativas.

A presente invenção é explicada com base nas seguintes figuras:

Figura 1 - ilustra o diagrama de blocos do processo degeração dos microplasmas;

Figura 2 - exibe o esquema do circuito elétrico utilizadopara formação dos microplasmas;

Figura 3 - mostra o sistema de fomento do fluxo da misturagasosa e de aquisição óptica aplicada.

Está representada na Figura 1, a seqüência do processo degeração dos microplasmas atmosféricos, sendo: (1) o gerador-RF operando em 144-146 MHz com potências entre 5W e 50W que fornece a energia que é utilizada para a formação dos microplasmas; (2) wattímetro de linha que controla areflexão e a transmissão da energia fornecida ao circuito eletrônico pelo gerador-RF; (3) filtro acoplador de impedâncias do tipo-L que promove a conexão de e-nergia entre o gerador-RF (1) e o microplasma gerado; (4) o fluxo da mistura gasosa na qual o processo de descarga ou ruptura elétrica ocorre; (5) os eletrodosde estrutura coaxial que fornecem os campos elétricos para que o mecanismo deruptura elétrica tenha início e (6) o produto final do processo (microplasmas).

Na Figura 2, é mostrada a disposição esquemática dos elementos principais do circuito elétrico utilizado no processo, tais como: o gerador-RF (1); o wattímetro de linha (2); o filtro acoplador de impedâncias do tipo-L (3)cujos componentes reativos são uma bobina (7) e dois capacitores variáveis (8 e9); o composto cerâmico que funciona como material dielétrico (10); e os eletrodos de estrutura coaxial (11 e 12) entre os qual os microplasmas (6) são forma-dos.Na Figura 3, destacam-se os controladores de fluxo demassa (13) que são conectados a cilindros que alimentam o circuito com um flu-xo de mistura gasosa (4) contendo um gás inerte (14) e outro gás reativo (15) naqual o processo de descarga ou ruptura elétrica ocorre para formação dos micro-plasmas (6). Além disso, temos uma fibra óptica (16) acoplada a um conjuntoóptico e computacional de alto desempenho (17, 18 e 19).

O processo da presente invenção utiliza um gerador-RF o-perando na faixa de 144-146 MHz (1) que fornece a energia necessária para aformação dos microplasmas em pressão atmosférica (6). Potências incidentesentre 5W (potência mínima) e 50W (potência máxima) foram aplicadas no circui-to eletrônico para a geração destes microplasmas em pressão atmosférica (6).

Com a finalidade de transmitir a maior quantidade de ener-gia possível durante o processo, um filtro acoplador de impedâncias do tipo-L (3)foi utilizado a fim de obter o melhor acoplamento de energia entre o gerador-RF(1) e os microplasmas formados (6). A potência incidente e refletida no filtro émonitorada através de um wattímetro de linha (2).

Cabe ressaltar que existem perdas no decorrer do processode transferência de energia entre o gerador-RF (1) e os microplasmas (6) por e-feito Joule devido aos componentes do filtro do tipo-L (7, 8 e 9). Contudo, estadissipação de energia não é significativa, sendo no máximo da ordem de 15% emrelação à potência fornecida pelo gerador-RF (1). Tal característica ressalta que ofiltro acoplador de impedância do tipo-L (3) utilizado ao longo do processo ébastante eficiente.

Este filtro do tipo-L (3) está conectado a eletrodos de es-trutura coaxial (11 e 12) entre os quais são excitados os microplasmas a partir decampos elétricos que se originam nestes eletrodos (lie 12). Esta estrutura coaxi-al é composta por um bloco metálico externo (11) e um tubo metálico interno(12) com um diâmetro de l,0mm. Estes componentes metálicos estão separadospor um composto cerâmico (10) que funciona como um isolante elétrico.Durante o processo de formação dos microplasmas, atravésde um controlador de fluxo de massa (13), calibramos o fluxo da mistura gasosa(4) usada nos experimentos entre 0,5 e 1,0 litros por minuto para o gás inerte (14)e entre 0,0 e 0,02 litros por minuto para o gás reativo (15). A quantidade de gásreativo (15), neste caso, corresponde à cerca de 2% do volume do gás inerte (14),o que torna a experiência com a manipulação desses gases segura. Esta misturagasosa (4) passa pelo interior do tubo metálico interno da estrutura coaxial (12).

Este fato permite o uso de apenas uma linha de gás fomentando o sistema, diferentemente da patente WO2005/125286A3 que precisa da utilização de duas linhas de gás no seu processo.

O produto obtido pelo processo acima descrito está relacionado com a formação de microplasmas em pressão atmosférica que são caracterizados por apresentar tensões que variam entre 100V e 450V, bem como suas correntes elétricas possuem valores de 0,9A a 3,5A para potências aplicadas entre 5W e 50W.

Pelo processo da presente invenção, através de uma fibraóptica (16) capturamos a luz emitida pelo microplasma a fim de transportá-la atéa fenda de entrada (60um) de um monocromador de alta resolução (17) com distância focai de l,0m. Assim, fazendo-se uso de uma sofisticada eletrônica de aquisição (18) obtemos espectros com boa relação sinal/ruído que são registradosem um microcomputador (19).

A partir destes espectros, conseguimos informações sobreos principais parâmetros físicos do produto final (microplasmas) considerando asdiferentes potências incidentes no processo. Nestas condições, as densidades eleirônicas observadas estão entre 0,lxl015 e l,4xl015 elétrons por centímetro cúbico.

Finalmente, os microplasmas atmosféricos gerados pelo presente processodesta invenção possuem temperaturas medidas que variam de 350K a 3000K.

Claims (8)

1. Processo para geração de microplasmas excitados pordescargas elétricas de rádio-freqüência (RF) em pressão atmosférica caracterizado pelo fato de utilizar um gerador-RF compacto que fornece energia monitorada através de um wattímetro de linha, para o circuito elétrico no qual um filtro acoplador de impedância está conectado a eletrodos de estrutura coaxial (acoplamento capacitivo), que estão separados por um composto cerâmico (material dielétrico), entre os quais se formam os campos elétricos associados com o mecanismode ruptura dielétrica de uma mistura gasosa contendo um gás inerte e outro gásreativo, cujo fluxo é calibrado por um controlador de fluxo de massa, para a criação dos microplasmas; e porconfigurar estabilidade aos microplasmas gerados em pressão atmosférica permitindo, no mínimo, até 12h de funcionamento ininterruptos;

2. Processo para geração de microplasmas, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de o gerador-RF operar na faixa de 144-146 MHz (1) com potências incidentes entre 5W (potência mínima) e 50W (potência máxima);

3. Processo para geração de microplasmas, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir um filtro acoplador de impedância do tipo-L (3);

4. Processo para geração de microplasmas, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir eletrodos de estrutura coaxial(acoplamento capacitivo) compostos por um bloco metálico externo (11) e umtubo metálico interno (12) cujo diâmetro é l,0mm;

5. Processo para geração de microplasmas, de acordo com arivindicação 1, caracterizado pelo fato do fluxo da mistura gasosa (4) ser calibrado entre 0,5 e 1 litro por minuto para o gás inerte (14);

6. Processo para geração de microplasmas, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato do fluxo da mistura gasosa (4) ser calibrado entre 0 e 0,02 litro por minuto para o gás reativo (15);

7. Processo para geração de microplasmas, de acordo com areivindicação 1, 5 e 6, caracterizado pelo fato de o fluxo da mistura gasosa (4)passar pelo interior do tubo metálico interno da estrutura coaxial (12);

8. Microplasmas excitados por descargas elétricas de rádiofreqüência em pressão atmosférica, obtidos pelo processo descrito conforme asreivindicações de 1 a 7, são caracterizados pelo fato de apresentar diâmetros del,0mm com comprimentos entre 5,0mm e 20mm de acordo com a potência aplicada no sistema entre 5W e 50W; e porapresentar dimensões milimétricas para portabilidade; e porter tensões de ruptura na formação dos microplasmas entre100V e 450V para potências aplicadas entre 5W e 50W; e porpossuir correntes elétricas associadas aos microplasmasformados entre 0,9A e 3,5A para potência de operação entre 5W e 50W; e porutilizar no mínimo 85% da energia aplicada ao longo do processo de geração dos microplasmas devido ao filtro acoplador de impedânciado tipo-L (3) empregado; e porapresentar um intervalo de temperatura entre 350K e3000K para os microplasmas gerados conforme a potência utilizada entre 5W e50W; e por, finalmente,conter densidades eletrônicas entre 0,1x1015 e 1,4x1015 elétrons por centímetro cúbico para potências entre 5W e 50W.