TAGLIO PLASMA HT: MODELLI ANALITICI E RISULTATI SPERIMENTALI

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1 Dottorato di Ricerca in TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE XIII CICLO Politecnico di Milano Università degli Studi di Brescia Università degli Studi di Pavia Università degli Studi di Lecce TAGLIO PLASMA HT: MODELLI ANALITICI E RISULTATI SPERIMENTALI RELATORE: COORDINATORE: prof. Michele MONNO prof. Roberto PACAGNELLA CANDIDATO: dott. ing. Barbara PREVITALI

2 Introduzione 3 1 Processi di lavorazione plasma Definizione preliminare Temperatura in un plasma Plasmi Termici Plasmi Non Termici Plasmi artificiali Plasmi termici da scarica in arco Tipologie di scarica Plasmi da scarica in arco Sistemi a plasma termico Configurazione Applicazioni Taglio plasma Componenti del circuito elettrico Meccanismo di stabilizzazione Meccanismo di trasmissione dell energia Torce da taglio Torcia dry Torcia dual gas Torcia da taglio in acqua Torcia High Tolerance Parametri di processo della torcia HT Qualità del taglio HT 60 2 Il problema del flusso di calore nella zona di taglio Bilancio di energia Dal campo elettrico al fascio plasma nella torcia Dal fascio esterno all interfaccia con il materiale Dall interfaccia con il materiale al materiale Reazione di ossidazione Il calore allontanato per conduzione nella zona di taglio Stato dell arte Sorgente istantanea Sorgente continua Sorgente in moto Sorgente in moto quasistazionaria Sorgente in moto: un secondo approccio 95 3 Modellazione del flusso di calore lungo lo spessore Modello a flusso variabile lungo lo spessore Modellazione diretta ed inversa 103 1

3 3.3 Inputs del modello inverso Outputs del modello inverso Distanza massima Risoluzione del problema inverso Analisi dell errore Errore di approssimazione Errore di misura Validazione del modello inverso: misure di temperatura Aspetti critici della misura mediante termocoppie: prima sperimentazione Validazione: seconda sperimentazione Principali fonti di errore Progettazione tagli e misure Confronto temperature previste e temperature misurate: analisi dell errore Conclusioni Applicazione backward e forward del modello inverso Modellazione backward: applicazione al taglio di titanio Scelta materiale Scelta parametri di processo Procedura di taglio e preparazione campioni Procedura di analisi e misura della ZTA Piano degli esperimenti Analisi dei dati Modellazione forward: applicazione agli acciai al carbonio Considerazioni tecnologiche Conclusioni 207 Bibliografia 212 Ringraziamenti 218 2

4 Introduzione Il taglio plasma è una tecnologia consolidata nata negli anni sessanta per la lavorazione nel settore aerospaziale di alluminio ed inossidabili. Durante gli anni due sono state le direzioni di crescita di questo processo. Grazie al controllo di processo ed ai nuovi materiali della torcia da alcuni anni si è aperta la possibilità di utilizzare ossigeno ed aria quali gas di taglio nei sistemi automatizzati, innovazione che ha esteso la gamma di materiali lavorabili soprattutto agli acciai al carbonio. La seconda direzione di crescita, più recente, consiste nell introduzione del taglio plasma ad alta definizione, che è caratterizzato da un fascio di qualità superiore rispetto ai sistemi convenzionali. Il fascio plasma ad alta definizione infatti si connota per diametro del fascio minore e potenza maggiore, caratteristiche che si riflettono positivamente sulla qualità del solco di taglio. Sebbene i sistemi di taglio plasma siano largamente diffusi e sebbene miglioramenti continui vengano introdotti nei dispositivi, il processo di taglio plasma ha ricevuto e riceve da parte della comunità scientifica poca attenzione. La causa principale è la cattiva fama che il processo si è meritato tra le lavorazioni non convenzionali unita alla complessità dei fenomeni fisici, che lo descrivono. Il fascio plasma infatti può essere visto contemporaneamente come un arco elettrico, come un getto di gas ionizzato e come una sorgente di calore. Il taglio è frutto di un bilanciodi massa, energia e quantità di moto nel quale si manifestanofenomeni termici, elettromagnetici, chimici e fluidodinamici. A questo si unisce il fatto che il fascio plasma nel taglio è in modalità trasferita, ovvero l arco elettrico, che scocca nella torcia, si chiude sul pezzo in lavorazione. Pertanto il fascio plasma da taglio esiste solo in presenza del materiale che deve essere tagliato, al quale è strettamente legato. Unostudio del fascioa priori, che indaghi il fascio senza il materiale, può dare solo indicazioni di massima ma non può rappresentare la natura del processo di taglio, che è intimamente legata alla presenza contemporanea di fascio plasma e materiale da lavorare. Quest aspetto rende molto arduo modellare 3

5 il processo di taglio nel suo complesso, perchè presuppone la risoluzione di bilanci mutuamente accoppiati, che conducono a sistemi di equazioni non lineari, complessi e pesanti dal punto di vista computazionale. Una strada più agevole consiste nell indagare (e modellare) il risultato della mutua interazione plasma - pezzo, per trarre alcune considerazioni sulle proprietà del fascio. Alcuni metalli e leghe infatti, se opportunamente trattati, mostrano una traccia dell interazione del fascio plasma nella zona termicamente alterata, ovvero in quella porzione di materiale che, sebbene non portato a fusione, ha subito un danneggiamento termico che ne ha modificato la struttura metallografica. La zona termicamente alterata può essere modellata come il risultato dell applicazione sulla superficie di taglio di un flusso di calore, quasistazionario, di intensità e forma non note, che rappresenta le proprietà termiche del fascio plasma. Attraverso la Teoria della Sorgente in Moto, opportunamente elaborata ed estesa ai flussi di calore di forma qualsiasi, è possibile modellizzare il disturbo termico, che ha generato l alterazione nel materiale. Il legame tra il materiale ed il fascio plasma in questo modo viene ricostruito a ritroso a partire dall esito della lavorazione. Il presente lavoro propone un modello analitico inverso che stima il flusso di calore, trasmesso dal fascio plasma e diffuso nel materiale, a partire dall isoterma di transizione che separa la zona termicamente alterata dal materiale base. Poichè il flusso di calore, trasmesso dalla sorgente plasma ha un andamento variabile in funzione dello spessore del campione tagliato, non noto a priori, il modello restituisce non solo l intensità del fascio ma anche la sua forma lungo lo spessore. Il lavoro si articola in 6 capitoli. Nel 1 ± Capitolo si presenta un introduzione alle lavorazione mediante plasma in generale ed alle lavorazioni di taglio plasma in particolare. A partire dalla definizione di plasma, si descrive lo stato di plasma e le principali grandezze fisiche, che lo identificano. Di seguito, tra le numerose manifestazioni di plasmi artificiali disponibili, si affronta nel dettaglio la caratterizzazione dei plasmi termici in arco elettrico, che sono 4

6 alla base delle lavorazioni mediante plasma. Vengono poi identificati e descritti i principali componenti dei sistemi di lavorazione, che utilizzano plasmi termici e le diverse tipologie e finalità di utilizzo. Le applicazioni di plasma termico tecnologiche aprono poi la strada alla descrizione dei sistemi da taglio plasma. I dispositivi da taglio plasma sono descritti sinteticamente mentre in dettaglio si affronta la descrizione dei sistemi da taglio plasma ad alta definizione, oggetto dello studio successivo. Il taglio plasma ad alta definizione viene infine caratterizzato sia per i principali parametri di processo che per gli attributi di qualità del solco. Nel 2 ± Capitolo il problema della determinazione del flusso di calore in un mezzo tagliato plasma viene inquadrato ed inserito nel più generico problema del bilancio termico nella zona di taglio. Il flusso di calore trasmesso dal fascio plasma e diffuso nel mezzo per conduzione è infatti solo una delle voci, che costituiscono il bilancio termico nella zona di taglio. La prima parte del capitolo identifica i diversi contributi del bilancio termico, suggerendone una stima ed analizzandone il peso relativo. A seguito di quest analisi si mostra come i due termini maggiori del bilancio siano il calore speso per la realizzazione del solco (facilmente determinabile) ed il calore diffuso per conduzione, mentre i rimanenti contributi sono poco significativi. Nella seconda parte del capitolosi presenta una breve descrizione degli strumenti di modellazione analitica che possono essere utilizzati nella stima del flusso del calore diffuso per conduzione. Dall analisi della bibliografia emerge che nella descrizione e rappresentazione delle lavorazioni termiche a fascio vi è un ampia diffusione della Teoria della Sorgente in Moto. Tuttavia, manca un modello in grado di rappresentare gli aspetti termici della lavorazione plasma ad alta definizione ed in particolare la variazione lungo lo spessore della potenza disponibile per la realizzazione del solco. Nel3 ± Capitolo si propone un modello analitico per stimare il flusso di calore trasmesso dalla sorgente al solco di taglio e diffuso per conduzione nel materiale. Affinchè, il modello proposto sia in grado di descrivere il fascio plasma occorre rimuovere l ipotesi di costanza del flusso lungo lo spessore, ipotesi che generalmente caratterizza i mod- 5

7 elli analitici applicati al taglio. Grazie al principio di sovrapposizione degli effetti ed alla scomposizione in serie di Fourier di soli coseni, è possibile sviluppare un modello in grado di prevedere l andamento della temperatura in un mezzo a cui è applicato un flusso di forma qualsiasi variabile lungo lo spessore. Il modello proposto viene applicato in maniera inversa, ovvero a partire dalla misura di temperatura nel campione tagliato plasma si determina l andamento del flusso di calore, che l ha generata. L applicazione secondo la modalità inversa presenta difficoltà nella risoluzione del sistema di equazioni, che descrivono il modello. Nella seconda parte del capitolo si propone una soluzione approssimata al problema inverso, risolubile analiticamente e si fornisce una stima dell errore commesso nell approssimazione. Nel 4 ± Capitolo il modello analitico, proposto nel 3 ± Capitolo, che esprime il legame tra il flusso di calore della sorgente plasma e la temperatura nel mezzo tagliato plasma, viene validato. La validazione consiste nel confronto tra la misura di temperatura, eseguita mediante microtermocoppie collocate in punti a distanza crescente dal solco, e la corrispondente temperatura prevista. Poichè il flusso di calore è noto solo sulla superficie la misura di temperatura è superficiale. Nella prima parte del5 ± Capitolo il modello inverso, messo a punto nei capitoli precedenti, viene applicato al taglio di titanio commercialmente puro (modellazione backward ). L esito del modello è rappresentato dal flusso di calore diffuso per conduzione nel materiale, descritto per intensità e forma. Considerando diverse condizioni di taglio, si osserva che il flusso di calore allontanato per conduzione dipende fortemente dalla velocità di avanzamento della torcia. All aumentare della velocità infatti l entalpia del fascio aumenta, così che la potenza disponibile per l esecuzione del taglio ed il riscaldamento della zona circostante il taglio cresce. Nella seconda parte del Capitolo viene verificata la potenzialità previsiva del modello proposto (modellazione forward ). Il flussodi calore determinatonel tagliodi titanioviene utilizzato per prevedere l andamento della temperatura e le proprietà geometriche del solco nel taglio di acciaio al carbonio. A condizione di mantenersi nello stesso range di velocità, il modello 6

8 analitico così determinato si dimostra un valido strumento di previsione del comportamento termico del materiale. Il6 ± Capitolo chiude il lavoro suggerendo i possibili utilizzi del modello proposto nello studio della lavorazione plasma evidenziandone vantaggi e svantaggi. I principali vantaggi del modello risiedono da una parte nei vantaggi e dall altra nelle potenzialità previsive della modellizzazione analitica. Anche in questa applicazione infatti la modellazione analitica conferma le doti per le quali è così ampiamente diffusa ed utilizzata. Si mostra infatti uno strumento veloce e parco nel consumo di risorse sia temporali che hardware. A questo si aggiunge che si dispone di uno strumento, che se opportunamente tarato, consente di prevedere il comportamento termico di un qualsiasi materiale a seguito del taglio plasma. Dal campo termico poi discende un ampia rosa di applicazioni, che possono riguardare la previsione delle geometria del solco di taglio, lo studio dello comportamento meccanico e dello stato tensionale residuo del campione, l ottimizzazione dei parametri di taglio. 7

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10 Capitolo 1 Processi di lavorazione plasma Il1 ± Capitolo rappresenta un introduzione alle lavorazione mediante plasma in generale ed alle lavorazioni di taglio plasma in particolare. A partire dalla definizione di plasma, si descrive lo stato di plasma e le principali grandezze fisiche, che lo identificano. Di seguito, tra le numerose manifestazioni di plasmi artificiali disponibili, si affronta nel dettaglio la caratterizzazione dei plasmi termici in arco elettrico, che sono alla base delle lavorazioni mediante plasma. Vengono poi identificati e descritti i principali componenti dei sistemi di lavorazione, che utilizzano plasmi termici e le diverse tipologie e finalità di utilizzo. Le applicazioni di plasma termico tecnologiche aprono poi la strada alla descrizione dei sistemi da taglio plasma. I dispositivi da taglio plasma sono descritti sinteticamente mentre in dettaglio si affronta la descrizione dei sistemi da taglioplasma ad alta definizione, oggetto dello studio successivo. Il taglio plasma ad alta definizione viene infine caratterizzato sia per i principali parametri di processo che per gli attributi di qualità del solco. 1.1 Definizione preliminare Il termine plasma è stato utilizzato perla prima volta con l accezione, che oggi gli viene riconosciuta, da due scienziati dell inizio novecento, Tonks e Langmur, i quali erano soliti utilizzare la parola plasma per definire the portion of an arc type discharge in which densities of ions and electrons are high but substantially equal. Ripercorrendo la definizione data dai due fisici, innanzitutto si può affermare che il plasma è una miscela di elettroni, ioni e particelle neutre. Poichè la massa di ioni e 9

11 Capitolo 1 Processi di lavorazione plasma particelle neutre è di gran lunga maggiore della massa dell elettrone (ad esempio nel caso dell idrogeno la massa dell atomo dell idrogeno è 1840 volte superiore alla massa dell elettrone), particelle neutre ed ioni sono spesso denominati specie pesanti. Occorre inoltre considerare che a causa dell alto contenuto di energia del plasma alcune di queste particelle pesanti sono ad un livello energetico superiore. Le particelle allo stato eccitato generalmente ritornano ad un livello di energia più basso mediante l emissione di un fotone. L emissione fotonica è la causa principale della luminosità del plasma. Pertanto più correttamente il plasma può essere definito come una miscela di elettroni, ioni e particelle allo stato neutro, specie eccitate e fotoni. Tale miscela tuttavia costituisce un plasma solo se le cariche positive e quelle negative si bilanciano, ovvero complessivamente il plasma deve essere elettricamente neutro. Questa proprietà del plasma è nota con il nome di quasi-neutralità [1] [2]. Spesso si fa riferimento allo stato di plasma anche con la denominazione di quarto stato della materia, alludendo alla sequenza solido, liquido, gassoso ed infine plasma. Il quarto stato della materia, anche se praticamente non presente come manifestazione naturale sulla crosta terrestre (ad esclusione dei lampi), è ampiamente diffuso nel resto dell universo, dove il99% della materia è nello stato di plasma. Un esempio tipico di plasma naturale è rappresentato dal sole, la cui temperatura interna supera i10 7 K. 1.2 Temperatura in un plasma Come nei mezzi gassosi, la temperatura cinetica di un plasma è definita dall energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono (molecole, atomi, ioni ed elettroni), ovvero: 1 2 mv2 = 3 kt (1.1) 2 dovemèla massa della particella,k la costante di Boltzmann 1,T la temperatura assoluta. 1 Pari a J/K 10

12 Paragrafo 1.2 Temperatura in un plasma L Eq.1.1 implica che le particelle seguano una distribuzione di velocità di tipo Maxwell- Boltzmann, che può essere espressa dalla relazione: dn v =nf(v)dv (1.2) con f(v)= 4 p ¼ µ 2kT m 3=2 v 2 exp µ mv2 2kT (1.3) La funzione di distribuzione della velocità è mostrata in Fig.1.1, nella quale si possono identificare le tre velocità caratteristiche: ²la velocità più probabile v m = p 2kT=m ²la velocità mediav= R 1 0 vf(v)dv= p 8kT=¼m ²la velocità media quadraticav rms = R 1 0 v 2 f(v)dv 1=2 = p 3kT=m Figura 1.1- Funzione di distribuzione di velocità Maxwell-Boltzmann La condizione secondo cui le particelle in un plasma seguono la distribuzione di velocità Maxwell-Boltzmann dipende fortemente dall interazione fra le particelle stesse, ovvero dalla frequenza di collisione e dall energia scambiata in ogni urto. Se si applicano le leggi di conservazione all urto elastico di due particelle di massa m edm 0, lo scambio di energia cinetica, vale: 11

13 Capitolo 1 Processi di lavorazione plasma mm 0 E kin =2 (1.4) (m+m 0 ) 2 L espressione precedente implica che per particelle di ugual massa lo scambio di energia cinetica vale: E kin =1=2 (1.5) Pertanto qualsiasi distorsione dalla distribuzione di velocità di Maxwell-Boltzmann tra particelle di ugual massa viene rapidamente abbattuta (indicativamente dopo poco più di10 collisioni). La considerazione precedente evidenzia come in un plasma dominato da effetti di collisione si può ragionevolmente assumere che ciascuna specie (particelle pesanti ed elettroni) segua una distribuzione di Maxwell-Boltzmann e che pertanto ciascuna specie, presa singolarmente, possa essere caratterizzata da un unica temperatura assoluta. Se si considerano al contrario gli scambi di energia tra elettroni e particelle pesanti dall Eq. 1.4, considerato che la massa dell elettronem e è molto più piccola della massa del protonem h si ricava: E kin» =2 m e m h (1.6) Perciò un numero molto più elevato di collisioni(>10 3 ) sono necessarie per eliminare la differenza di energia (e di temperatura) tra elettroni e specie pesanti. Il modo più comune per ottenere un plasma consiste nell utilizzare una scarica elettrica. Nella scarica elettrica gli elettroni, fortemente mobili, assorbono energia dal campo elettrico e la trasferiscono in parte alle particelle pesanti mediante urti elastici. Ma, anche con un eccellente rapporto di collisione tra particelle pesanti ed elettroni (ovvero con una frequenza media di collisione elevata) può esservi sempre una differenza fra la temperatura degli elettroni e quella delle specie pesanti. L energia trasferita da un elettrone ad una particella pesante in una singola collisione 12

14 Paragrafo 1.2 Temperatura in un plasma elastica può essere espressa come: 3 2 k (T e T h )2 m e m h (1.7) dovet e et h costituiscono rispettivamente la temperatura elettronica e quella delle specie pesanti. L energia che un elettrone acquisisce dal campo elettrico applicato E tra due collisioni vale: ev d e (1.8) dovev d è la velocità media di drift (la velocità dell elettrone lungo la direzione del campo elettricoe) e e il tempo medio di percorrenza del cammino medio libero tra due collisioni. Se si assume con e =l e =v e (1.9) v e = p 8kT e =¼m e (1.10) el e è il cammino medio libero dell elettrone, in una situazione stazionaria vale: T e T h = T = 3¼m µ h e le E 2 3 T e T e 32m e k T (1.11) 2 e In accordo con l Eq per raggiungere l equilibrio cinetico tra elettroni e specie pesanti(t e =T h ) occorre che l energia acquisita dagli elettroni nel campo elettrico tra una collisione e l altra sia molto piccola se confrontata con l energia cinetica ( e la temperatura) degli elettroni stessi. 13

15 Capitolo 1 Processi di lavorazione plasma Grazie alla proporzionalità tra la pressioneped il cammino libero mediol e : l e» 1 p (1.12) un altra lettura dell Eq.1.11: T e T h T e = T T e» µ E 2 (1.13) p mette in evidenza il ruolo primario ricoperto dal parametro E = p nel determinare l equilibrio cinetico nel plasma. Per valori piccoli del parametro E = p, la temperatura elettronica si avvicina alla temperatura delle particelle pesanti. Quando ciò avviene il plasma viene definito in Equilibrio Termodinamico Locale (LTE) 2. Un plasma che soddisfi la condizione di LTE (T e» =Th ) è definito Plasma Termico. Al contrario un plasma che si allontana fortemente dalla condizione di equilibrio (T e ÀT h ) è denominato Plasma Non Termico Plasmi Termici I plasmi termici, altrimenti definiti come plasmi caldi o plasmi in equilibrio, sono per definizione in LTE o molto vicini a questa condizione 3. Come già menzionato, la condizione di equilibrio cinetico è raggiunta per valori del parametro E = p piccoli, ovvero in presenza di elevate pressioni e/o ridotti valori del campo elettrico. Tipicamente, le pressioni nei plasmi in LTE superano i10kpa (¼0:1atm), mentre per valori di pressione inferiori le due temperature, quella elettronica e quella delle specie pesanti si differenziano, come illustrato in Fig. 1.2, dovet e et g rappresentano rispettivamente 2 Più correttamente alla condizione di equilibrio cinetico si devono aggiungere altre condizioni (equilibrio chimico e stato di eccitazione) perchè si raggiunga la condizione LTE. 3 In realtà, studi più recenti hanno messo in luce come la condizione LTE rappresenti più un eccezione che la regola, poichè difficilmente vengono raggiunte tutte le condizioni di equilibrio. Per questa ragione, oggi i plasmi termiciche si discostano parzialmente dalla condizione LTE vengono definitiplasmi in equilibrio termodinamico locale parziale (PLTEP), per distinguerli dai plasmi in equilibrio termodinamico locale completo (CLTEP) 14

16 Paragrafo 1.3 Plasmi artificiali la temperatura elettronica e quella delle specie pesanti. Figura 1.2- Temperatura in un arco plasma Plasmi Non Termici I Plasmi Non in Equilibrio Termico vengono frequentemente denominati plasmi freddi a causa della bassa temperatura delle specie pesanti. A differenza dei plasmi caldi, i plasmi freddi operano per lo più a pressionip < 100kPa mentre valori tipici del rapporto E=p sonodi alcuni ordini di grandezza maggiori dei plasmi caldi. Ad esempio un valore tipico per la scarica glow (si veda il paragrafo successivo) operante ad una pressione di0:1pa e dell ordine die=p=10 7 V=mkPa. La Tab.1.1 sintetizza le caratteristiche distintive delle due classi di plasmi individuate, che possono riassumersi in temperatura delle due specie, rapportoe=p e grado di ionizzazione (particelle cariche nell unità di volume). Caratteristiche Plasmi Termici Plasmi Non Termici Temperatura T e =T h T e ÀT h Ionizzazione» = :8 E/p» = mv mpa»= 50V mpa Tabella 1.1- Plasmi termici e non termici 15

17 Capitolo 1 Processi di lavorazione plasma 1.3 Plasmi artificiali Una volta definito il concetto di temperatura di plasma e la condizione LTE, la definizione preliminare del primo paragrafo può essere arricchita, distinguendo diverse tipologie di plasma. Infatti, come è possibile intuire, non esiste un solo tipo di plasma ma al contrario numerose manifestazioni fisiche, tutte caratterizzate dagli attributi definiti in precedenza cadono sotto il nome di plasma. Una prima distinzione consiste nel distinguere tra plasmi naturali e plasmi artificiali (man made). Come menzionato in precedenza, i plasmi naturali rappresentanopiù del 99% della materia dell universo. Due dei plasmi naturali più conosciuti sono costituiti dal fulmine e dall aurora boreale. Poichè i due fenomeni avvengono a pressioni notevolmente diverse (estremamente elevata per il fulmine e molto bassa perl aurora), anche l aspetto dei due fenomeni è significativamente diverso. Anche per i plasmi artificiali un criterio di distinzione è costituito dalla pressione a cui avvengono (e quindi dalla distanza del cammino medio libero ad essa correlata). Gli altri due criteri di distinzione, in parte già individuati in precedenza, sono costituiti dalla temperatura assoluta e dalla densità elettronica. La Fig.1.3 illustra alcuni plasma naturali ed artificiali distinti secondo gli attributi individuati nei paragrafi precedenti. In figura lungo l asse delle coordinate la temperatura è in unità1ev (1eV corrisponde a a7740k 4 ). Come è possibile osservare dalla Fig.1.3, i principali plasmi di interesse tecnologico sono rappresentati da: ²scarica glow (o scarica a scintilla), che tipicamente opera a pressioni di kpa, temperatura per le particelle pesanti vicine alla temperatura ambiente e dell ordine dei10 4 K per gli elettroni. In una lampada fluorescente ad esempio la temperatura elettronica raggiunge i2: K mentre le particelle pesanti hanno una temperatura di300k, ²fiamma, che rispetto alla scarica glow presenta temperatura e densità elettronica 4 Se le specie seguono una distribuzione di velocità di tipo Maxwell-Boltzmann. 16

18 Paragrafo 1.4 Plasmi termici da scarica in arco Figura 1.3- Plasmi più basse, ²plasmi termici, (tra i quali i plasmi in scarica ad arco, argomento principale di questo studio) che mostrano temperature dell ordine dei10 4 K con densità elettroniche variabili da10 21 a10 26 m 3 : ²plasmi da fusione termonucleare, che presentano condizioni estreme sia per quanto riguarda la temperatura che per la densità elettronica. Nel caso dei plasmi nucleari la densità elettronica può superare i10 26 m 3 e la temperatura è tipicamente dell ordine dei10 6 K ma può raggiungere anche valori dell ordine dei10 8 K. 1.4 Plasmi termici da scarica in arco Il meccanismo secondo cui si generano plasmi artificiali consiste nel trasferire energia al gas. Poichè il gas a temperatura ambiente è un ottimo isolante elettrico occorre generare all interno del gas un elevato numero di cariche elettriche affinchè possa divenire conduttore di corrente. Al contrario dei gas infatti, il plasma, essendo costituito 17

19 Capitolo 1 Processi di lavorazione plasma da cariche elettriche libere, è un ottimo conduttore elettrico e può raggiungere valori di conduttività elettrica che superano quella dei metalli a temperatura ambiente. Ad esempio, un plasma di idrogeno a pressione atmosferica, riscaldato alla temperatura di 10 6 K ha approssimativamente la stessa conduttività elettrica del rame a temperatura ambiente. Il processo secondo cui un isolante gassoso diviene conduttore elettrico viene definito rottura del dielettrico (electrical breakdown). Esistono diverse modalità per produrre la rottura del dielettrico, ovvero la ionizzazione del plasma. La più nota e diffusa è costituita dalla scarica elettrica. Secondo questa modalità la scarica elettrica, che si genera in un gas isolante sottoposto ad un intensa differenza di potenziale, ionizza il gas portandolo allo stato di plasma. Altre modalità più sofisticate (che esulano dagli obiettivi di questo lavoro) consentono di ottenere plasmi da scariche in radiofrequenza, in microonde, da radiazioni ad elevata energia (UV, raggi X e gamma) o dall azione di fasci laser o elettronici. Infine, il plasma può essere prodotto anche riscaldando in fornaci ad elevate temperature vapori metallici Tipologie di scarica Poichè i principi della scarica elettrica si manifestano sia in corrente continua (DC) che in corrente alternata (AC) ci si limiterà in questo paragrafo a descriverla nel caso più semplice di corrente continua. Il cambio frequente di polarità, proprio del circuito in corrente alternata infatti, produce nella zona degli elettrodi fenomeni complessi che rischiano di oscurare in parte le manifestazioni dell arco stesso. Come già affermato, tutti i gas a temperatura ambiente sono degli eccellenti isolanti elettrici. Sebbene un certo numero di cariche sia presente anche nei gas a temperatura ambiente (in aria a pressione atmosferica vi sono indicativamente10 6 elettroni=m 3 ), questi valori sono troppo piccoli perchè venga registrata una conduttività elettrica significativa. Tuttavia le cariche naturalmente presenti nel gas a temperatura ambiente sono sufficienti per provocare la rottura del dielettrico, se il gas viene sottoposto ad una differenza di potenziale sufficientemente elevata fra due elettrodi. Il passaggio di 18

20 Paragrafo 1.4 Plasmi termici da scarica in arco corrente attraverso il mezzo, in origine isolante ed ora conduttore, viene registrato mediante la manifestazione della scarica elettrica. All interno della scarica il gas viene ionizzato in una miscela di molecole, atomi, ioni ed elettroni, in definitiva in plasma. Le proprietà e la natura del plasma, che così si ottiene, dipendono dalla modalità di scarica oltre che dai parametri della scarica stessa. In Fig.1.4 sono illustrati i vari tipi di scarica che si ottengono in un ampolla riempita di gas inerte (argon) a pressione dell ordine di0:1kpa con un gap tra gli elettrodi di qualche centimetro in funzione della differenza di potenziale applicata. Tra le diverse modalità di scarica elettrica rappresentate è possibile riconoscere la scarica glow, propria dei plasmi freddi (che esulano da questa trattazione) e la scarica ad arco, tipica dei plasmi caldi. Si osservi come la scarica ad arco sia identificata da una brusca diminuzione del potenziale, che entra in una zona discendente, dopo che è stato raggiunto il valore massimo a seguito della scarica glow. La differenza di potenziale per sostenere una scarica in arco infatti è solitamente inferiore a quella necessaria a sostenere tutte le altre tipologie di scarica [3] [4]. Figura 1.4- Classificazione delle tipologie di scarica in circuito DC Plasmi da scarica in arco Definizione Sebbene non vi sia una definizione univoca di arco elettrico un plasma generato in scarica ad arco è caratterizzato principalmente da tre proprietà: (a)densita DI CORRENTE ELEVATA 19

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