Explique e esquematize uma fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP).

Passo 1

O enunciado pede para explicar o que é uma fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP) e também apresentar um esquema (desenho) dessa configuração. O conteúdo envolve física de plasmas, acoplamento indutivo de radiofrequência e componentes típicos de uma fonte ICP.

Passo 2

Princípio de funcionamento: numa ICP usa-se um gerador de alta frequência (tipicamente 13{,}56\text{ MHz}) conectado a uma bobina de cobre ao redor de um tubo de quartzo. O campo magnético alternado gerado pela bobina induz um campo elétrico no gás de processo, ionizando-o e mantendo o plasma.

Passo 3

Componentes principais:
  • Gerador RF: fornece potência na faixa de 100 a 3000 W e frequência de 13{,}56 MHz.
  • Circuito de casamento (matching network): adapta a impedância do gerador à carga (bobina + plasma).
  • Bobina indutiva de cobre (water-cooled): cria campo magnético variável.
  • Tubo de quartzo ou cerâmica: confina o gás e o plasma.
  • Sistema de alimentação de gás (por exemplo argônio) e bomba de vácuo para controlar pressão (~ 1 10 Pa).
  • Sistema de resfriamento da bobina (água).

Passo 4

Sequência de operação:
1. A bomba reduz a pressão interna do tubo para a faixa desejada.
2. O gerador RF é ligado; sua saída passa pelo matching network e alimenta a bobina.
3. O campo magnético alternado penetra o gás, induz correntes de Foucault e gera elétrons livres.
4. Colisões elétron-átomo ampliam a ionização, formando o plasma visível no interior do tubo.
5. O plasma é mantido estável enquanto a RF estiver aplicada.

Passo 5

Vantagens e aplicações:
  • Plasma de alta densidade ( 10^{11} 10^{13}\,\text{cm}^{-3}) e baixa contaminação (tubo de quartzo).
  • Uso em espectrometria de emissão óptica, deposição de filmes finos (CVD), limpeza de superfícies e gravura de semicondutores.
  • Permite controles precisos de densidade e temperatura do plasma ajustando potência e fluxo de gás.

Resposta

Esquema simplificado de uma fonte ICP:
     \(+\)----------------\(+\)
     |  RF Generator  |
     |  (\(13,56\) MHz)   |
     \(+\)----------------\(+\)
              |
              v
     \(+\)----------------\(+\)
     | Matching       |
     | Network        |
     \(+\)----------------\(+\)
              |
              v
     \(+\)----------------------\(+\)
     | Water-cooled Coil    |
     | (Bobina indutiva)    |
     \(+\)----------------------\(+\)
              |
              v
------------------------------
| Quartz Tube (descarga ICP) |
| \leftarrowAr Inlet |
| \toGas Exhaust \toPump |
------------------------------
Legenda:
– RF Generator: fonte de alta frequência.
– Matching Network: ajuste de impedância.
– Coil: cria campo magnético variável.
– Quartz Tube: local onde se forma e sustenta o plasma.
– Pump: mantém baixa pressão.

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