Experimental Validation of Plasma-Surface Interaction Models in High-Power Helicon Plasma Sources

Abstract

Esta tesis analiza los fenómenos de erosión presentes en las fuentes helicoidales de plasma. Estas consisten en generadores de plasma mediante radiofrecuencia y carentes de electrodos, que son capaces de producir plasmas de alta densidad a partir de niveles de potencia de entrada bajos y medianos. En forma creciente, han encontrado aplicaciones industriales y académicas que abarcan desde la investigación en física básica, el procesamiento de materiales, la propulsión espacial eléctrica, e investigaciones relacionadas con la fusión nuclear. Se cree que el hecho de que excitan el plasma a través de una antena externa y que poseen un campo magnético axial conteniendo al plasma les permite reducir las interacciones de erosión con las superficies internas, sin embargo, esta afirmación no ha sido evaluada críticamente. Se presenta un modelo analítico de estado estable, capaz de estimar la distribución 2D del plasma en fuentes helicoidales de plasma cilíndricas, así como la aceleración de los iones a través de las regiones de apantallamiento eléctrico y los correspondientes fenómenos de pulverización catódica en las superficies de confinamiento. El modelo se validó a través de comparación con datos experimentales publicados provenientes de una variedad de fuentes helicoidales de plasma relevantes, y se utilizó posteriormente para estimar las tasas de erosión en las superficies de confinamiento de la fuente helicoidal experimental VX-CR. Los resultados fueron analizados, y las fortalezas y debilidades del modelo fueron discutidas. Las tasas de erosión estimadas más altas se obtuvieron para el extremo cerrado ubicado ‘aguas arriba’ en la fuente helicoidal cilíndrica, seguido de la erosión producida a través del acoplamiento capacitivo por radiofrecuencia (RF).