The orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes

An asymptotic analysis of electron collection at high bias Fp serves to determine the domain of validity of the orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes, which is basic for the workings of conductive bare tethers. The radius of a wire collecting OML current in an unmagnetized plasma at rest cannot exceed a value, Rmax , which is found to exhibit a minimum as a function of Fp ; atFp values of interest, Rmax is already increasing and is larger than the electron Debye length lDe . The breakdown of the regime relates to conditions far fromthe probe, at electron energies comparable to the ion thermal energy, kTi ; Rmax is found to increase with Ti . It is also found that ~1! the maximumwidth of a thin tape, if used instead of a wire, is 4Rmax ; ~2! the electron thermal gyroradius must be larger than both R and lDe for magnetic effects to be negligible; and ~3! conditions applying to the tether case are such that trapped-orbit effects are negligible.

Cylindrical Langmuir probes beyond the orbital-motion-limited regime

The current I to a cylindrical probe at rest in an unmagnetized plasma, with probe bias highly positive, is determined. The way I lags behind the orbital-motion-limited OMLcurrent, 1 OML R, as the radius R exceeds the maximum radius for the OML regime to hold, is of interest for space-tether applications. The ratio I/I OML is roughly a decreasing function of R/lD R max /lDe , which is independent of bias, with lDe the electron Debye length and Rmax /l De roughly an increasing function of the temperature ratio, Ti /Te. The dependence of current on ion energy is used to discuss the effect of probe motion through the plasma, a case applying to tethers in low orbit.

Efecto de extremo en la respuesta de una sonda cilíndrica de Langmuir

Tanto en plasmas de laboratorio como en la ionosfera, se ha observado recientemente un fenómeno nuevo en la respuesta de una sonda cilindrica de Langmuir que se mueve en un plasma rarificado. Bajo condiciones tales que: a) el potencial de la sonda respecto al plasma sea muy negativo; b)su velocidad sea mucho mayor que la velocidad de las ondas iono-acústicas del plasma; y c) la longitud de Debye sea grande comparada con el radio de la sonda pero pequeña con respecto a su longitud, la corriente eléctrica registrada por aquella muestra un máximo muy agudo cuando el ángulo entre la dirección del movimiento y el eje de la sonda pasa por cero. En la presente tesis se desarrolla una teoría de este fenómeno, la cual conduce a una expresión analítica para la corriente eléctrica recogida por la sonda; se obtienen fórmuías sencillas para la altura y semiancliura del máximo de la corriente y resultados gráficos universales para la estructura de dicho máximo. La teoría está en muy buen acuerdo con los datos experimentales existentes.Se muestra cómo puede hacerse uso del efecto en la corriente para medir las variables de estado en los plasmas, y en particular para la medida de la temperatura iónica.

Emissive Langmuir Probes in the Strong Emission Regime for the Determination of the Plasma Properties

The determination of the plasma potential Vpl of unmagnetized plasmas by using the floating potential of emissive Langmuir probes operated in the strong emission regime is investigated. The experiments evidence that, for most cases, the electron thermionic emission is orders of magnitude larger than the plasma thermal electron current. The temperature-dependent floating potentials of negatively biased Vpmenor queVpl emissive probes are in agreement with the predictions of a simple phenomenological model that considers, in addition to the plasma electrons, an ad-ditional electron group that contributes to the probe current. The latter would be constituted by a fraction of the repelled electron thermionic current, which might return back to the probe with a different energy spectrum. Its origin would be a plasma potential well formed in the plasma sheath around the probe, acting as a virtual cathode or by collisions and electron thermalization pro-cesses. These results suggest that, for probe bias voltages close to the plasma potential Vp?Vpl, two electron populations coexist, i.e., the electrons from the plasma with temperatureTeand a large group of returned thermionic electrons. These results question the theoretical possibility of measuring the electron temperature by using emissive probes biased to potentials Vp about lower equal than ?Vpl.

Diagnostics of classical and dusty plasmas w ith collecting and emissive langmuir probes = Diagnosis de plasmas clásicos y granulares mediante sondas colectoras y emisoras de Langmuir

Las sondas eléctricas se emplean habitualmente en la diagnosis de plasmas. La presente tesis aborda la operación de las sondas colectoras y emisoras de Langmuir en plasmas fríos de baja densidad. El estudio se ha centrado en la determinación del potencial de plasma, Vsp, mediante el potencial flotante de una sonda emisora. Esta técnica consiste en la medida del potencial de la sonda correspondiente a la condición de corriente neta igual a cero, el cual se denomina potencial flotante, VF. Este potencial se desplaza hacia el potencial del plasma según aumenta la emisión termoiónica de la sonda, hasta que se satura cerca de Vsp. Los experimentos llevados a cabo en la pluma de plasma de un motor iónico y en un plasma de descarga de glow muestran que la corriente de electrones termoiónicos es mayor que la corriente de electrones recogidos para una sonda polarizada por debajo del potencial del plasma, resultado inconsistente con la teoría tradicionalmente aceptada. Para investigar estos resultados se ha introducido el parámetro R, definido como el cociente entre la corriente de electrones emitidos y recogidos por la sonda. Este parámetro, que está relacionado con la diferencia de potencial VF - Vsp, también es útil para la descripción de los modos de operación de la sonda emisora (débil, fuerte y más allá del fuerte). Los resultados experimentales evidencian que, al contrario de lo que indica la teoría, R es mayor que la unidad. Esta discrepancia se puede solucionar introduciendo una población efectiva de electrones. Con dicha población, el nuevo modelo para la corriente total de la sonda reproduce los datos experimentales. El origen de este grupo electrónico es todavía una cuestión abierta, pero podría estar originada por una nueva estructura de potencial cerca de la sonda cuando ésta trabaja en el régimen de emisión fuerte. Para explicar dicha estructura de potencial, se propone un modelo unidimensional compuesto por un mínimo de potencial cerca de la superficie de la sonda. El análisis numérico indica que este pozo de potencial aparece para muy altas temperaturas de la sonda, reduciendo la cantidad de electrones emitidos que alcanzan el plasma y evitando así cualquier posible perturbación de éste. Los aspectos experimentales involucrados en el método del potencial flotante también se han estudiado, incluyendo cuestiones como las diferentes técnicas de obtención del VF, el cociente señal-ruido, el acoplamiento de la señal de los equipos utilizados para la obtención de las curvas I-V o la evidencia experimental de los diferentes modos de operación de la sonda. Estas evidencias empíricas se encuentran en todos los aspectos de operación de la sonda: la recolección de electrones, el potencial flotante, la precisión en las curvas I-V y la emisión electrónica. Ésta última también se estudia en la tesis, debido a que un fenómeno de super emisión tiene lugar en el régimen de emisión fuerte. En este modo de operación, las medidas experimentales indican que las corrientes termoiónicas de electrones son mayores que aquéllas predichas por la ecuación de Richardson-Dushman clásica. Por último, la diagnosis de plasmas usando sondas eléctrica bajo presencia de granos de polvo (plasmas granulares) en plasmas fríos de baja densidad también se ha estudiado, mediante la aplicación numérica de la técnica del potencial flotante de la sonda emisora en un plasma no convencional. Los resultados apuntan a que el potencial flotante de una sonda emisora se vería afectado por altas densidades de polvo o grandes partículas. ABSTRACT Electric probes are widely employed for plasma diagnostics. This dissertation concerns the operation of collecting and emissive Langmuir probes in low density cold plasmas. The study is focused on the determination of the plasma potential, Vsp, by means of the floating potential of emissive probes. This technique consists of the measurement of the probe potential, corresponding to the zero net probe current, which is the so-called floating potential, VF . This potential displaces towards the plasma potential as the thermionic electron emission increases, until it saturates near Vsp. Experiments carried out in the plasma plume of an ion thruster and in a glow discharge plasma show the thermionic electron current of the emissive Langmuir probe is higher than the collected electron current, for a probe with a bias potential below Vsp, which is inconsistent with the traditional accepted theory. To investigate these results, a parameter R is introduced as the ratio between the emitted and the collected electron current. This parameter, which is related to the difference VF - Vsp, is also useful for the description of the operation modes of the emissive Langmuir probe (weak, strong and beyond strong). The experimental results give an inconsistency of R > 1, which is solved by a modification of the theory for emissive probes, with the introduction of an effective electron population. With this new electron group, the new model for the total probe current agrees with the experimental data. The origin of this electron group remains an open question, but it might be originated by a new potential structure near the emissive probe when it operates in the strong emission regime. A simple one-dimension model composed by a minimum of potential near the probe surface is discussed for strongly emitting emissive probes. The results indicate that this complex potential structure appears for very high probe temperatures and the potential well might reduce the emitted electrons population reaching the plasma bulk. The experimental issues involved in the floating potential method are also studied, as the different obtaining techniques of VF, the signal-to-noise ratio, the signal coupling of the I-V curve measurement system or the experimental evidence of the probe operation modes. These empirical proofs concern all the probe operation aspects: the electron collection, the floating potential, the I-V curve accuracy as well as the electron emission. This last issue is also investigated in this dissertation, because a super emission takes place in the strong emission regime. In this operation mode, the experimental results indicate that the thermionic electron currents might be higher than those predicted by the classical Richardson-Dushman equation. Finally, plasma diagnosis using electric probes in the presence of dust grains (dusty plasmas) in low density cold plasmas is also addressed. The application of the floating potential technique of the emissive probe in a non-conventional complex plasma is numerically investigated, whose results point out the floating potential of the emissive probe might be shifted for high dust density or large dust particles.

Direct Vlasov simulations of electron-attracting cylindrical Langmuir probes in flowing plasmas

Current collection by positively polarized cylindrical Langmuir probes immersed in flowing plasmas is analyzed using a non-stationary direct Vlasov-Poisson code. A detailed description of plasma density spatial structure as a function of the probe-to-plasma relative velocity U is presented. Within the considered parametric domain, the well-known electron density maximum close to the probe is weakly affected by U. However, in the probe wake side, the electron density minimum becomes deeper as U increases and a rarified plasma region appears. Sheath radius is larger at the wake than at the front side. Electron and ion distribution functions show specific features that are the signature of probe motion. In particular, the ion distribution function at the probe front side exhibits a filament with positive radial velocity. It corresponds to a population of rammed ions that were reflected by the electric field close to the positively biased probe. Numerical simulations reveal that two populations of trapped electrons exist: one orbiting around the probe and the other with trajectories confined at the probe front side. The latter helps to neutralize the reflected ions, thus explaining a paradox in past probe theory.

Biossensores de pH, ureia e glicose utilizando a microeletrônica de filmes finos de AZO e TIO2

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de biossensores de pH, ureia e glicose, utilizando óxidos como plataforma para a parte seletiva. Os filmes finos de óxidos condutores foram produzidos por diferentes técnicas de deposição, como spin-coat, dip-coat, spray-pyrolysis e casting. Os materiais fabricados foram AZO e TiO2, ambos depositados sobre substratos de FTO, ITO ou vidro hidroflilizado. O número de camadas foi variado para cada técnica e as caracterizações morfológicas e estruturais foram feitas por MEV, DRX e FTIR. As caracterizações elétricas foram feitas por EGFET e voltametria cíclica. Os filmes foram testados como sensores de pHs na faixa de 2 a 8. O filme depositado com AZO em substrato de FTO pela técnica de spray-pyrolysis apresentou melhor resposta, com sensibilidade de 31,7 mV/pH entre toda a faixa de pHs do 2 ao 8. Já para os filmes de TiO2, o filme produzido por dip-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou sensibilidade de 37,8 mV/pH entre a faixa de pHs de 2 a 8. Paralelamente, os filmes tiveram suas superfícies funcionalizadas com proteínas como urease ou glicose oxidase. Neste caso, os dispositivos foram testados entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL de ureia e glicose. Como biossensor de ureia, o filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou a maior sensibilidade, com valor 3,32 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 120 mg/dL. Para os filmes estudados como biossensores de glicose, o melhor resultado também foi obtido pelo filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO, apresentando sensibilidade em torno de 6,18 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL. Alguns resultados encontrados foram iguais ou melhores aos encontrados na literatura vigente, mesmo que os dispositivos ainda são passíveis de otimização.

Propriedades superficiais de filmes à base de gelatina

O objetivo do presente trabalho foi caracterizar as propriedades superficiais de filmes à base de gelatina. Para o qual foram elaborados filmes de: (i) Gelatina plastificado com glicerol (G) (gelatina: 5 g/100 g SFF; glicerol: 30 g/100 g de gelatina), (ii) Gelatina reforçado com montmorilhonita (G/MMT) (gelatina: 5 g/100 g SFF; glicerol: 30 g/100 g de gelatina; MMT: 5 g/100 g de gelatina) e Gelatina plastificado com citrato de acetiltributila (G/ATB) (gelatina: 5 g/100 g SFF; ATB: 50 g/100 de gelatina; lecitina de soja: 60 g/100 g de ATB; etanol: 20 g/100 g SFF). Os filmes foram produzidos mediante o uso de um aplicador automático de filmes \"Spreading\". Logo, os filmes foram submetidos a testes para determinação da espessura, umidade e propriedades óticas (brilho, cor e opacidade). Também foi caracterizada a microestrutura por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM); às imagens obtidas por MEV foi aplicado um analise de imagem mediante o programa Image J, para obter o valor da dimensão fractal (DF). Depois foram caracterizadas as propriedades superficiais de ângulo de contato (AC), molhabilidade ou coeficiente de espalhamento (Se), e energia livre superficial (ELS) mediante a medida do ângulo de contato pelo método da gota séssil (água: 5 µL e 1-Bromonaftaleno: 3 µL). Para o cálculo da ELS também foi aplicado o método de Owens-Wendt. Estas caracterizações foram feitas em ambos os lados do filme, lado ar e lado placa. A natureza do filme de G/ATB influenciou na umidade e as propriedades óticas, enquanto que os filmes de G e G/MMT apresentaram características similares. Em relação à microestrutura e rugosidade, o filme de G apresentou a superfície mais homogênea e lisa, contrario ao observado no filme de G/MMT, que apresentou a maior rugosidade seguida do filme de G/ATB. Foi observado que houve uma relação entre os valores de rugosidade e DF. De acordo com o valor do AC, os filmes apresentaram um caráter hidrofóbico, pois seus valores foram superiores a 65° (em ambos os lados dos filmes), na seguinte ordem: G/MMT > G > G/ATB; sendo que o Se seguiu a mesma tendência. Cabe mencionar também que não foi encontrada uma correlação significativa entre os valores de AC e rugosidade. Em função dos valores de AC, Se e ELS (especificamente a componente polar), o filme de G/ATB apresentou o menor caráter hidrofóbico, pois apresentou menores valores de AC e maiores valores de Se em comparação com os outros dois filmes. Os valores da componente polar da G/ATB foram os maiores, explicando de melhor maneira o caráter menos hidrofóbico deste filme. Pode-se concluir que os filmes à base de gelatina elaborados no presente trabalho têm propriedades hidrofóbicas (AC>65°), sendo a G/MMT o filme com melhores características hidrofóbicas.

Instrumentação para a caracterização dielétrica de filmes biodegradáveis

A caracterização dielétrica de um material pode ser usada como uma técnica não destrutiva para avaliar e monitorar sua qualidade, bem como no entendimento da relação estrutura-propriedade de um material, através de suas propriedades dielétricas em função da frequência, temperatura, composição química do material, dentre outros. Na literatura há escassez de trabalhos e dados de caracterização dielétrica de filmes a base de biopolímeros. Diante desse contexto, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e a construção de uma instrumentação alternativa a equipamentos disponíveis no mercado, como analisadores de rede e de impedância, que pudesse ser utilizada para a caracterização dielétrica de filmes biodegradáveis a base de gelatina. Foi utilizado o método de placas paralelas na determinação da parte real da permissividade conhecida como permissividade relativa ou constante dielétrica (ε\'). O circuito utilizado para a instrumentação foi um oscilador astável com funcionamento baseado no amplificador operacional (741) chaveado pela carga de um capacitor de placas paralelas cujo dielétrico foi uma amostra de filme biodegradável. A partir dos valores da frequência de oscilação e geometria do capacitor, foi possível calcular a capacitância de cada amostra e, consequentemente obter os valores da permissividade relativa do filme, usando relações básicas bem estabelecidas. Os filmes de gelatina foram produzidos pela técnica de casting sendo utilizados como plastificantes o glicerol (G), o sorbitol (S) e suas misturas, na proporção (G:S) de 30:70, 50:50 e 70:30. Os filmes foram caracterizados quanto à umidade e cristalinidade. A permissividade relativa (ε\') dos filmes, determinada a temperatura ambiente, foi avaliada em função da frequência (5 a 50 kHz), tempo de armazenamento, do teor de umidade e tipo de plastificante. A instrumentação projetada e construída foi capaz de medir com precisão a permissividade relativa das amostras, sendo que essa propriedade diminuiu com o aumento da frequência para todos os filmes. Mantendo-se a frequência constante, não houve variação de ε\' para os filmes de gelatina, independente do plastificante, ao longo de um mês de armazenamento a 24 ± 3 °C. O efeito da umidade foi observado em frequências menores que 25 kHz, sendo que quanto maior o teor de umidade maior a permissividade relativa. O efeito do tipo de plastificante na permissividade relativa dos filmes foi observado a baixas frequências (5 kHz) e filmes plastificados com sorbitol apresentaram maiores valores de ε\'. Os filmes plastificados com maior teor de umidade apresentaram menor cristalinidade, portanto maior mobilidade molecular e consequentemente maior a permissividade relativa.

Filmes e coberturas a base do resíduo da extração de corante de cúrcuma

O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial de uso do resíduo da extração de pigmento de cúrcuma na produção de filmes e coberturas. Para o estudo dos filmes, foram utilizados glicerol e sorbitol como plastificantes e avaliados os efeitos da concentração de farinha de cúrcuma e do plastificante sobre as propriedades mecânicas, solubilidade, permeabilidade ao vapor de água (PVA), molhabilidade, atividade antioxidante, teor de curcuminóides e teor de compostos fenólicos totais utilizando um Delineamento Central Composto Rotacional 22, e os resultados foram avaliados utilizando a metodologia de superfície de resposta (MSR). A concentração de farinha afetou de forma positiva a espessura, PVA e o teor de curcuminóides totais dos filmes plastificados com glicerol e sorbitol. Entretanto, esta variável afetou as propriedades de solubilidade, molhabilidade e teor de compostos fenólicos totais somente dos filmes com glicerol. A concentração de plastificante (glicerol ou sorbitol) afetou significativamente a solubilidade, PVA e molhabilidade de ambos os filmes. Filmes de farinha de cúrcuma com boas propriedades mecânicas, baixa permeabilidade ao vapor de água, alta atividade antioxidante, alto teor de curcuminóides e alto teor de compostos fenólicos totais podem ser produzidos utilizando 27,9 a 30 g glicerol/100 g farinha ou 30 a 42 g sorbitol/100 g farinha e concentração de farinha na faixa de 5% a 6,41%. A cobertura de farinha de cúrcuma contendo 6% de farinha e 30 g glicerol/100 g de farinha foi aplicada em bananas Maçã (Musa acuminata) armazenadas a 27ºC e 65% UR. Assim, foi avaliado o efeito da cobertura na qualidade pós-colheita das bananas em função à suas características físico-químicas como perda de massa, firmeza da polpa, pH, acidez titulável, sólidos solúveis, açúcares redutores e cor da casca. Os resultados mostraram que a cobertura foi eficiente em diminuir a perda de massa, o teor de açúcares redutores, a acidez, a perda da firmeza e a cor da casca principalmente durante a etapa de maturação do fruto. Entretanto, não foi observado grande efeito da cobertura sobre o pH e o teor de sólidos solúveis durante o período estudado. As bananas sem a cobertura tiveram vida útil de 6 dias, enquanto as bananas com cobertura tiveram vida útil de 9 dias.