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Física de Plasmas
In oducción
El plasma es el es ado de la ma e ia conocida más abundan e
en el uni e so, y no sólo es á p esen e en las es ellas, sino
que ambién apa ece en enómenos na u ales en la Tie a
( igu a 1) [1]. Su impo ancia pa a la sociedad, po ejemplo
pa a aplicaciones indus iales, c ece con inuamen e y los
plasmas o man una pa e esencial de la in aes uc u a ec-
nológica de los países desa ollados [2]. En pa alelo, la u ili-
zación del plasma en el desa ollo de la usión nuclea —que
plan ea una posible solución al p oblema de la ene gía— ha
alcanzado un al o g ado de desa ollo y so is icación [3].
El desa ollo ecnológico equie e un es ue zo con inuado
no sólo en el campo de la ciencia básica de plasmas sino
ambién en el de los diagnós icos que son la cla e pa a en-
ende los y con ola los. Asimismo, conocimien os p oce-
den es de los es udios de plasmas as o ísicos y a mos é icos
ienen una con ibución impo an e en dicho desa ollo,
además de amplia nues o en endimien o del uni e so y de
la Tie a [4]. Un some o in en a io de es os desa ollos cons-
a a un ue e solapamien o en e las écnicas y ecnologías
empleadas en la diagnosis de los dis in os plasmas siendo
dicha cons a ación de espe a dado que la mayo pa e de la
ísica y de los enómenos conocidos es común a odos ellos,
po ejemplo, la u bulencia, el anspo e, o la in e acción
del plasma con la ma e ia sólida o la adiación, siendo muy
llama i o que los diagnós icos cub an casi odo el espec o
elec omagné ico, desde los ayos-X has a las mic oondas
( igu a 2), e in oluc en un g an núme o de enómenos de
la ísica [5]. Pa a muchas si uaciones, la co ec a in e p e-
ación de las medidas p opo cionadas po los diagnós icos
equie e de una he amien a adicional, es deci de cálculos
po simulación donde se ep oducen las condiciones ísicas
del plasma y su in luencia sob e los pa áme os de in e és.
Los g upos españoles que abajan en plasmas lo hacen
con una g an a iedad de diagnós icos y los alo es de sus
pa áme os básicos (densidad y empe a u a de pa ículas
ca gadas) cub en muchos ó denes de magni ud, po lo que
se ía di ícil esumi odo el campo aba cado en un solo a -
ículo. Aquí, se p e ende p esen a un esumen del es ado
Desa ollo de diagnós icos pa a
plasmas: ca alizado de nue a ísica
K. J. McCa hyI, A. SolaII, E. Anabi a eIII, N. Bo delIV, J. Co inoV, C. Gómez-Aleixand eVI, F. J. Go dillo
VázquezVII, S. Ma VIII, R. Ma ínezIX, G. Rod íguez P ie oX, I. Tana oXI y J. T ujillo BuenoXII
Los diagnós icos cons i uyen una pa e undamen al de los es udios de plasmas, sean plasmas a mos é icos o as o ísicos,
plasmas íos dedicados a es udios de ciencia básica o a aplicaciones indus iales, o plasmas calien es con inados
magné icamen e. Además, exis e una g an a iedad de écnicas de diagnosis, muchas de las cuales, como la espec oscopía
óp ica o las sondas, son empleadas pa a los di e en es ipos de plasmas. Po o a pa e, exis e un acoplamien o ue e en e
el desa ollo de los diagnós icos y el de la ísica de plasmas, es deci que los diagnós icos ac úan como ca alizado pa a
el desa ollo de nue a ísica. En es e abajo e isamos la g an a iedad de plasmas que se es udian en los labo a o ios
españoles y las écnicas empleadas ac ualmen e pa a en ende y con ola los plasmas, y p esen amos los desa ollos de
nue os diagnós icos en cu so, así como la ísica que se espe a in es iga .
I Labo a o io Nacional de Fusión, CIEMAT, 28040 Mad id, kie an.
[email p o ec ed]
II Depa amen o de Física, Uni e sidad de Có doba, 14071 Có doba,
[email p o ec ed]
III Depa amen o de Física Aplicada, Uni e sidad de Can ab ia, 39005
San ande , [email p o ec ed]
IV Depa amen o de Física, Uni e sidad de O iedo, 33006 O iedo,
[email p o ec ed]
V Ins i u o de Ciencia de Ma e iales de Se illa, CSIC-Uni e sidad de
Se illa, 41092 Se illa, [email p o ec ed]
VI Ins i u o de Ciencia de Ma e iales, CSIC, Can oblanco, 28049 Ma-
d id, [email p o ec ed]
VII Ins i u o de As o ísica de Andalucía, CSIC, 18080 G anada, az-
[email p o ec ed]
VIII Depa amen o de Óp ica, Uni e sidad de Valladolid, 47011 Valla-
dolid, [email p o ec ed]
IX Depa amen o de Química Física, Uni e sidad del País Vasco,
01006 Vi o ia-Gas eiz, [email p o ec ed]
X Escuela Técnica de Ingenie ía Indus ial, Uni e sidad de Cas illa-La
Mancha, 13071 Ciudad Real, [email p o ec ed]
XI Ins i u o de Es uc u a de la Ma e ia, CSIC, 28006 Mad id,
[email p o ec ed]
XII Ins i u o de As o ísica de Cana ias, 38205 La Laguna (San a C uz
de Tene i e), [email p o ec ed]
Fig. 1. Dis in os ipos de plasmas, clasi icados po los alo es de dos de sus
magni udes más ca ac e ís icas.
109
108
107
106
105
104
1041071010 1013 1016 1019 1021 1024
103
102
Densidad (pa ículas ca gadas / cm3)
Au o a
Fusión
magné ica
Fusión
ine cial Cen o
del sol
Co ona
sola
Desca ga
luminiscen e
Fo os e a
sola
Llamas
Sp i es
Nebulosas Rayos
Desca ga
de µW
Sólidos, líquidos
y gases
Tempe a u a (K)
Física de Plasmas Desa ollo de diagnós icos pa a plasmas: ca alizado de nue a ísica
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ac ual de los diagnós icos en cen os de in es igación espa-
ñoles, así como di igi la a ención a los desa ollos lle ados
a cabo en ellos pa a ab i camino a nue a ciencia, con la
espe anza de impulsa la colabo ación mul idisciplina en-
e los nume osos g upos en es e campo. En esumen, exis e
una amplia base de conocimien os y una as a ealidad en
el campo de los diagnós icos de plasmas que deben se de
in e és mu uo.
1. Una g an a iedad de plasmas
Aunque los plasmas in oluc an dis in os in e eses cien í i-
cos, odos se pueden ag upa en a ias ca ego ías ácilmen-
e iden i icables. Son plasmas con aplicaciones indus iales
pa a la sín esis o análisis de ma e iales; plasmas des inados
a es udios de ísica básica y a es udios den o de la as o ísi-
ca y la a mós e a; plasmas con aplicaciones ecnológicas, y
plasmas elacionados con la usión nuclea . Al ealiza dicha
ag upación es llama i o e el g an ango de densidades (o
p esiones), empe a u as y dimensiones, el amplio núme-
o de mé odos de calen amien o, y la eno me a iedad de
especies p esen es ( abla 1).
En p ime luga a ios g upos abajan con plasmas de
in e és o aplicación indus ial. Po ejemplo, en el Ins i u o
de Ciencia de Ma e iales de Mad id (ICMM-CSIC) gene an
plasmas pa a la sín esis de capas o nanoes uc u as de ca -
bono, que consis en p incipalmen e en mezclas diluidas
de un hid oca bu o (CH4 o C2H2) en A o H2. Son plasmas
p oducidos po desca gas de adio ecuencia (a 30 kHz y
13.56MHz) [6], con una densidad elec ónica, ne, en e 1010
y 1012cm–3, empe a u a elec ónica, Te, en e 1 y 2eV [7],
y p esión base, p, en e 13 y 67 Pa; o po mic oondas (a
2.45GHz) con 109 ≤ ne ≤ 1012cm–3, Te ~ 0.5eV, 0.3 ≤ p ≤ 5kPa
[8-11]; o po esonancia ciclo ónica de elec ones (ECR, a
2.45GHz y 0.0875 T), con 1011 ≤ ne ≤ 1013cm–3, 2 ≤ Te ≤ 5eV,
1 ≤ p ≤ 5Pa [12]. Median e es as écnicas se han p epa ado
undamen almen e capas delgadas, con espeso ≤1μm, de
ca bono amo o con es uc u a ipo ulle eno además de
capas de diaman e mic oc is alino y nanoc is alino (nano-
diaman e), odas ellas con aplicación como ecub imien os
ibológicos.
En es a misma línea, en el Ins i u o de Ciencia de Ma e-
iales de Se illa (US-CSIC) es udian di e en es p ocesos en
plasmas des inados a la sín esis y/o modi icación de pelícu-
las delgadas con el obje i o de op imiza sus p opiedades
con is as a aplicaciones ecnológicas. Disponen pa a ello
de di e en es eac o es [que abajan con uen es en DC,
adio ecuencia (RF), mic oondas (μW) y magne ón DC
pulsado] pa a la sín esis y uncionalización de ma e iales
nanoes uc u ados [13], donde gene an plasmas con ne en e
109 y 1012cm–3, Te en e 0.5 y 10eV, y p en e 0.1 y 100Pa.
En odos los casos, las p opiedades de los ma e iales, cuyo
espeso es del o den de 100’s nm, no sólo dependen de su
composición química sino ambién de la o ma en que se
es uc u an nanoscópicamen e (p. ej. en o maciones co-
lumna es, nano ubos, ib as, e c.). Como ejemplo, se puede
des aca el c ecimien o de películas de SiO2 en un sis ema
de pul e ización ca ódica, un blanco de silicio, y un plasma
eac i o con di e en es p opo ciones de A y O2 [14].
Los g upos de Espec oscopía, Láse es y Plasmas y Espec-
ome ía Analí ica de la Uni e sidad de O iedo (UO) es u-
dian la composición de ma e iales inno ado es en desca gas
luminiscen es analí icas. En es e caso u ilizan desca gas lu-
miniscen es, con p ~100’s Pa, gene adas en e dos elec o-
dos en e los que luye el gas desca ga, gene almen e A ,
ope ando en modo ano mal. En las desca gas de co ien e
con inua las di e encias de po encial ípicamen e u ilizadas
es án en o no a 0.7-0.9 kV y las in ensidades de co ien e
son del o den de decenas de mA. Es as desca gas ambién
suelen gene a se median e adio ecuencia (13.6MHz) po -
que, en es e caso, es posible u iliza cá odos no conduc o es.
Además, las desca gas pueden es ablece se en modo con i-
nuo o en modo pulsado (μs-ms) [15]. Los g upos u ilizan cá-
ma as de desca ga diseñadas po ellos mismos que después
se acoplan a espec óme os de masas u óp icos [16, 17]. El
diseño de las cáma as es c í ico [16, 18, 19] pa a p oduci
el a ancado de ma e ial del cá odo en una supe icie bien
delimi ada y, además capa a capa. Es e modo de in oduc-
ción de ma e ial en el plasma pe mi e hace análisis con
esolución en p o undidad, incluso de capas ul adelgadas
con espeso es del o den de nanóme os [20, 21]. En las des-
ca gas c eadas con adio ecuencia la empe a u a del gas
suele es a en e 300 y 700K, ne en e 1011 y 1014cm–3 y la
densidad de pa ículas neu as al ededo de 1016-1017cm–3.
Las desca gas luminiscen es pulsadas dan luga a un plasma
dinámico ca ac e izado po es egiones empo ales (p e-
peak, pla eau y a e glow) en los que p edominan di e en es
Fig. 2. Una selección de las écnicas es ánda empleadas en plasmas, su
localización en el espec o elec omagné ico y los pa áme os medidos.
10–2nm
10–1nm
1 nm
1 mm
10 mm
100 mm
10 nm
1 µm
10 µm
100 µm
100 nm
Mic oondas
Radiación
in a oja
Luz
isible
Radiación
ul a iole a
Rayos X
Espec oscopía de ayos X, Te
Dispe sión de Thomson, Te ne
In e e ome ía de mic oondas, ne
Re lec ome ía Dopple , Ep u bulencia
Radiome ía de emisiones ciclo ónicas, Te
Ensanchamien o S a k, ne
In e e ome ía de in a ojo, ne
Ensanchamien o Dopple ,
Dispe sión de Raleigh, Tgas
Espec o-Pola ime ía, B
Texo, Tgas
Tgas, Ti
Impu ezas, Ti, Te
Espec oscopía UV & Visible,
Espec oscopía molecula ,
Bolome ía, Po encia Radiada
B emss ahlung, Te
K. J. McCa hy, A. Sola, E. Anabi a e, N. Bo del, J. Co ino, C. Gómez-Aleixand e, F. J. Go dillo Vázquez, S. Ma , R. Ma ínez… Física de Plasmas
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p ocesos colisionales. Finalmen e, es udian su dinámica u i-
lizando como he amien a an o la espec ome ía óp ica
como de masas.
En el Labo a o io de Espec oscopía de Plasmas de la
Uni e sidad de Valladolid (UVA) es udian la calib ación
de pa áme os a ómicos ales como el ensanchamien o
y el desplazamien o S a k de líneas espec ales emi idas
espon áneamen e po el plasma. Es os es udios equie en
la gene ación de plasmas donde no sólo ne alcance alo-
es su icien emen e al os como pa a que las magni udes
medidas omen alo es signi ica i os, sino que p esen en
e oluciones de ne y Te en angos su icien emen e amplios
como pa a que la dependencia empo al de esos pa áme os
sea medible. Pa a ello, se gene an plasmas median e una
desca ga pulsada desde un banco de condensado es sob e
dos elec odos conec ados a los ex emos de una lámpa a
de Py ex [22]. An es, du an e y después de cada desca ga,
una mezcla de los gases ci cula a a és de la lámpa a a
p esión y lujo con olado, es ando la p ime a en el ango
de 0.1-5kPa y el segundo en unos pocoscm3/min. En es as
condiciones, la emisión del plasma du a ap oximadamen e
en e 200 y 500μs, ne a ía en e 0.2 y 2∙1017cm–3 y Te en e
1 y 3eV. En pa alelo, o o g upo, dedicado a espec oscopía
láse , abaja con plasmas con inuos gene ados en un a co
es abilizado (p = 10kPa, I = 18-63 A, P = 40 kW) o en una
desca ga de cá odo hueco (p = 0.27-1.35 kPa, I =50-200mA),
y llamas a p esión a mos é ica [23-28]. En el Depa amen o
de Óp ica abajan con cálculos de simulación numé ica
de líneas espec ales pa a la diagnosis espec oscópica de
plasmas [29-31]. Pa a ello, se ep oduce po modelación un
cie o ecin o de plasma en el que las pa ículas se mue en
en condiciones que ep esen en una cie a con igu ación
de densidad y empe a u a. Se calcula en onces el campo
eléc ico p oducido po odas esas pa ículas sob e uno de
los á omos o iones emiso es. Conocido es e campo —que a
cambiando con el iempo siguiendo el p oceso de simula-
ción— se esuel e la ecuación de Sch ödinge dependien e
del iempo que desc ibe la e olución del emiso . Una ez e-
suel a numé icamen e esa ecuación, se e alúa el momen o
dipola del emiso , lo que nos pe mi e de e mina cómo es
el p oceso de emisión del á omo o ión pe u bado y así po-
de de ini las ca ac e ís icas espec ales de la emisión. Es e
p oceso se epi e un eno me núme o de eces (del o den
de las decenas de miles) con condiciones ísicas di e en es,
elegidas alea o iamen e en una mues a es adís icamen e
bien con olada, lo que pe mi e e alua cómo se á la línea
espec al en las condiciones ísicas del plasma ep oducido
po simulación.
En los depa amen os de Física y de Física Aplicada de
la Uni e sidad de Có doba (UCO), a ios g upos es udian
di e sos ipos de plasmas p oducidos po di e en es uen es
y pa a dis in os p opósi os. Po ejemplo, uen es de alimen-
ación en DC (2-6 kV) an o con inuas como pulsadas en el
in e io de campanas de acío han pe mi ido el es udio,
median e sondas de Langmui , de desca gas ipo glow (p
= 2 a 20Pa) y ca ac e iza pa áme os como ne y Te (108-
109cm–3, 0.1-0.5eV) en dis in as zonas de la ca ac e ís ica
I-V, así como la p opia unción de dis ibución de ene gía de
Tabla 1. Resumen de los plasmas es udiados po los g upos españoles que han con ibuido a es e a ículo jun o con los pa áme os
p incipales, gases de abajo y écnicas de diagnosis habi uales
G upo Tipos de plasma ne (cm–3) Te (eV) Gases de abajo Técnicas
ICMM-CSIC
- RF
- μW
- ECR
1010 a 1012
109 a 1012
1011 a 1013
1 a 2
0.5
2 a 5
H2, A (CH4 o C2H2) Espec oscopía óp ica y de masas
US-CSIC DC, RF, μW, magne ón DC 109 a 1012 0.5 a 10 O2, A Espec oscopía de masas
UO
Luminiscen es
- RF pulsado
- DC pulsado
1011 a 1014 < 0.1 A Espec oscopía óp ica y de masas
UVA - DC pulsado
- A co, llamas, cá odo hueco 0.2 a 2∙1017 1 a 3 H2, He y o os ele-
men os de in e és Espec oscopía óp ica, in e e ome ía
UCO
DC
An o cha
μW
108 a 109
~ 1017
1010 a 1014
0.1 a 0.5
~ 2
0.5 a 1
H2, He, N2, O2, A y
o os elemen os de
in e és
Espec oscopía óp ica y de masas, sonda
simple y doble, écnicas elec omagné icas
UPV/EHU Ablación po láse 1015 10 a 50 Me ales Espec oscopía de masas, AEE
IEM-CSIC Cá odo hueco ~ 1010 2 a 8 H2, D2, A , N2, CH4,
NxOy
Espec oscopía óp ica y de masas, sondas
simple y dobles
IAC A mós e a sola
~ 1013
~ 1011
~ 109
~ 108
~ 0.5
~ 1
~ 10
~ 100
Fo os e a
C omos e a
T ansición
Co ona
Espec oscopía óp ica
IAA-CSIC TLE, sp i es ~ 105 a 107~ 1 a 10 Al a a mós e a Espec oscopía óp ica (GRASSP)
ETSIA-UPM P opulso
iónico 106 a 1012 1 a 3 A , Xe Sonda Langmui
UC SPLM y SPLM-up
μW 109 a 1012 ≤ 30 He, Ne, A A ay Langmui /Mach, in e e ome ía
UClM Z-pinch ~ 1019 ~ 104 Alamb e Fo og a ía Schlie en, shadowg aphy
LNF
TJ-II
- μW
- NBI
≤ 1.5∙1012
≤ 5∙1013
≤ 103
≤ 300 H, D, He Espec oscopía óp ica y de masas, sondas,
e lec ome ía, in e e ome ía
Física de Plasmas Desa ollo de diagnós icos pa a plasmas: ca alizado de nue a ísica
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elec ones [32, 33]. En p ocesos ansi o ios, es as medidas
han pe mi ido segui con esolución empo al el p oceso de
a iación de dicha unción [34]. Po o o lado, con mezclas
adecuadas de gases, se han de e minado densidades y em-
pe a u as de iones nega i os (de 107 a 108cm–3, 0.1eV) [35].
La in e acción del plasma con los elec odos y la dinámica
de ainas en las zonas de ansición plasma-elec odos han
sido obje o de es udio an o expe imen al como compu a-
cional [36, 37]. O a línea desa ollada po sus g upos es la
in e acción plasma-cá odo en plasmas é micos p oducidos
po an o cha de plasma a p esión a mos é ica (Te ≈ 2eV, ne
≈1017cm–3). Se ha in es igado el compo amien o de cá o-
dos bina ios de emisión e moiónica an o expe imen al
[38, 39] como numé icamen e [40]. Se ha de e minado la
dinámica en la aina y p e aina del ma e ial ca ódico e a-
po ado [41] y se ha es udiado la dinámica del spo ca ódico
[42]. También los plasmas p oducidos po mic oondas (a
2.45GHz) en desca gas p opaga i as y desca gas de an o -
cha han sido es udiados an o eó icamen e como expe i-
men almen e en un amplio ango de condiciones de abajo
(p ≈7 Pa a 1a m) y di e sas geome ías cilínd icas (0.5 mm
< R < 45mm), cuya diagnosis se ha ealizado an o po
écnicas espec oscópicas como elec omagné icas, en el
ango de 1010 a 1014cm–3 pa a ne y de 0.5 a 1eV pa a Te.
Es os es udios han sido en ocados desde un pun o de is a
me amen e básico, pe o ambién con is a a sus dis in as
aplicaciones en dis in os campos de la ecnología como son
iluminación [43], des ucción de con aminan es gaseosos
[44], análisis espec oquímico [45], p oducción de especies
a ómicas y molecula es [46] y o mación de compues os hi-
d oca bonados [47] pa a di e sas aplicaciones en p ocesos
de química de plasma.
Finalmen e, en el Depa amen o de Química Física de la
Facul ad de Fa macia en la Uni e sidad del País Vasco (UPV/
EHU) es udian la incidencia de pulsos láse de mode ada o
al a in ensidad sob e ma e iales que p oduce plasmas i-
cos en iones de ca gas al as, con ene gías que alcanzan los
keV. En pa icula , los plasmas se gene an po incidencia de
pulsos láse de 5 ns (FWHM) y 532 nm de longi ud de onda
sob e me ales y la adiación, con enien emen e en ocada,
p oduce un plasma que se expande en di ección pe pen-
dicula a la mues a. En gene al, la densidad de los iones
gene ados y el g ado de ionización dependen an o de las
ca ac e ís icas de la adiación como del ma e ial u ilizado.
Los haces de iones así p oducidos ienen u ilizándose pa a
c ece películas o pa a bomba dea e implan a en supe -
icies de di e sos ma e iales, modi icando sus p opiedades
ísicas y eac i idad química [48]. La de e minación de las
dis ibuciones de ene gía ciné ica ayuda a comp ende y
op imiza es as aplicaciones; pe o ambién pe mi e com-
p oba los mecanismos de o mación y acele ación de los
iones, que ocu en en iempos in e io es a los nanosegun-
dos y son inaccesibles pa a la mayo pa e de las écnicas
de diagnós ico [49].
En el á ea de plasmas de in e és as o ísico cabe des aca
el abajo del Labo a o io de Plasmas F íos del Ins i u o de
Es uc u a de la Ma e ia del CSIC de Mad id (IEM-CSIC), don-
de es udian expe imen almen e y median e modelado ciné-
ico desca gas luminiscen es de especies molecula es (pu as
o en mezcla), con especial a ención a las ías de ex inción de
los p ecu so es y a la o mación de nue os p oduc os [50].
En pa icula , sus á eas de in e és son la gene ación de es-
pecies exó icas e ines ables en condiciones e es es, pe o
muy ele an es en la e olución química del uni e so [51],
así como los p ocesos ciné icos en ionos e as plane a ias.
También es udian una a iedad de emas no as o ísicos,
como los p ocesos de in e acción plasma-supe icie pa a
o ma o elimina ecub imien os, lo que esul a de in e-
és en eac o es de usión [52] y en mic oelec ónica [53], y
en p ocesos ca alí icos asis idos po plasma [54]. Pa a es os
es udios, se emplean eac o es de desca ga DC en con igu-
ación de cá odo hueco con dis in as geome ías, que han
sido diseñados y cons uidos en su labo a o io y que ope an
en lujo con inuo de gas con p esiones en e ~ 0.5 y 200Pa
( éase la igu a 3). Como esul ado, la empe a u a del gas,
conside ando su ene gía ciné ica, es de unos 300K, y lo
mismo pa a los iones, aunque se acele an has a 300-500eV
en la aina. En cuan o a los elec ones, Te es á en e 2 y 8eV,
dependiendo de la p esión, y ne es del o den de 1010cm–3.
Po o o lado, uno de los g andes e os de la As o ísica
ac ual es desci a el magne ismo de la a mós e a sola y
desa olla las écnicas de diagnós ico necesa ias pa a po-
de explo a la ac i idad magné ica en o os plasmas as-
o ísicos (es ellas, medio in e es ela , galaxias), los cuales
se encuen an demasiado alejados de la Tie a como pa a
pode es udia los con el mismo de alle que en el Sol. Un g u-
po del Ins i u o de As o ísica de Cana ias (IAC) es udia el
magne ismo de la a mós e a sola . Es e plasma se ex iende
desde la ela i amen e delgada (400 km) y densa o os e a
(Te ~0.5eV y ne ~ 1013cm–3) has a la enue co ona (Te ~ 100eV
y ne ~ 108cm–3), cuyo plasma es á en expansión y llega has a
los con ines del sis ema sola [55]. En e ambas se encuen-
an las que quizás sean las egiones más enigmá icas: la
c omos e a (Te ~ 1eV y ne ~ 1011cm–3), donde la empe a u a
aumen a a ios miles de g ados espec o a la o os e a, y la
egión de ansición (Te ~ 10eV y ne ~ 109cm–3), donde en
apenas 100km la empe a u a se dispa a cien os de miles
de g ados y el plasma pasa de es a pa cialmen e a casi
o almen e ionizado. Cómo es posible que alejándose unos
3000 km de la ela i amen e ía (T ~ 5800 K) o os e a, en
la base de la co ona, la empe a u a del plasma aumen e
has a 10
6
K es uno de los mayo es mis e ios de la As o ísica.
Lo único que se sabe es que el campo magné ico es á in olu-
c ado y que juega un papel c ucial. El campo magné ico es,
además, el esponsable de la mul i ud de complejas es uc-
Fig. 3.
Aspec os de un plasma de ai e a baja p esión en un ubo de desca ga,
con dis in as in ensidades de co ien e (IEM-CSIC).
K. J. McCa hy, A. Sola, E. Anabi a e, N. Bo del, J. Co ino, C. Gómez-Aleixand e, F. J. Go dillo Vázquez, S. Ma , R. Ma ínez… Física de Plasmas
REF | 27-4 | Oc ub e-diciemb e 2013 29
u as que se obse an en la a mós e a sola y su dinámica
(p. ej., las manchas sola es, las p ominencias co onales, las
espículas de la c omos e a, e c.). Po odo ello esul a im-
p escindible in e i y ca ac e iza el campo magné ico pa a
en ende el uncionamien o del Sol.
En el campo de la a mós e a, se puede des aca el abajo
del Ins i u o de As o ísica de Andalucía en G anada (IAA-
CSIC) que es udia plasmas a mos é icos, en pa icula , plas-
mas de ai e p oducidos en desca gas eléc icas que ienen
luga en la mesos e a e es e (en e 40 y 90 km de al u a),
es o es, a p esiones y empe a u as de gas que oscilan en e
1Pa, 200K y 1kPa, 240K [56, 57]. El es udio de enóme-
nos luminosos ansi o ios (T ansien Luminous E en s o TLE),
asociados a eno mes desca gas eléc icas en la mesos e a
e es e, de en e los que los sp i es y halos son los más
ecuen es, comenzó con su descub imien o en 1989 en una
g abación acciden al de ídeo que apun aba sob e g andes
o men as eléc icas [57]. Desde en onces ha habido una
se ie de campañas anuales de obse ación en Es ados Uni-
dos en las que se empeza on a g aba de o ma sis emá ica
imágenes de más calidad de sp i es a pa i de las que se
comenzó a es ima p opiedades de los TLE ales como su
b illo y du ación así como su amaño y la al u a ap oximada
a la que se p oducen [58-61]. Con el obje o de en iquece el
conocimien o disponible de los TLE, el g upo de IAA-CSIC ha
diseñado y cons uido el GRASSP (GRAnada Sp i e Spec o-
g aph and Pola ime e ) o mado po dos ins umen os pa a
la diagnosis de los plasmas de ai e gene ados po la acción
de TLE en la mesos e a. Es e ins umen o se ha ins alado
ecien emen e (mayo de 2013) en el Obse a o io de Cala
Al o (CAHA) en Alme ía, a 2168 m sob e el ni el del ma ,
con el obje i o de ealiza de o ma sis emá ica y man eni-
da en el iempo es udios espec oscópicos y pola imé icos
de los plasmas de ai e mesos é icos gene ados po sp i es y
halos en coo dinación con las misiones espaciales ASIM y
TARANIS de la ESA y del CNES, espec i amen e.
En o o campo impo an e de los plasmas, en la Escuela
Técnica Supe io de Ingenie os Ae onáu icos de la Uni e -
sidad Poli écnica de Mad id (ETSIA-UPM) es udian plasmas
emi idos po p opulso es iónicos de baja po encia con aplica-
ciones como mo o es de empuje en misiones espaciales [62].
Los plasmas que esul an ienen una composición química
muy a iada, an o como la na u aleza del gas empleado,
y pueden o ma se plasmas de compues os químicamen e
complejos, an o con iones posi i os como nega i os. La
densidad de ca ga suele es a en e 106 y 1012cm–3 con Te
en el ango de 1-3eV. Pa a p esiones del gas po encima de
10Pa, los plasmas gene ados p oducen luz isible debido
a las colisiones en e los elec ones y á omos neu os, que
ienen densidades ele adas, lo que ha dado luga a aplicacio-
nes p ác icas y de ipo come cial. Los plasmas p oducidos a
baja p esión son empleados pa a la p opulsión de sa éli es,
pues los iones del plasma pueden se acele ados a ele adas
elocidades empleando campos eléc icos in ensos. Aun-
que en es e caso el empuje es pequeño, ienen la en aja
de consumi muy poco combus ible (iones) po lo que son
ap opiados pa a misiones de la ga du ación.
Finalmen e, a ios g upos abajan con plasmas de ele-
ancia pa a la usión nuclea . En p ime luga , en la máqui-
na lineal de plasma de San ande (SPLM) del Depa amen o
de Física Aplicada, de la Uni e sidad de Can ab ia (UC), se
ealizan es udios de luc uaciones y u bulencia en ocados
desde una desc ipción es adís ica y su compa ación con los
esul ados que se ob ienen en plasmas de usión. El plasma
se gene a en una cáma a de id io cilínd ica, de diáme o
de 7cm y longi ud de 1 m, que se aloja den o de una guía
de onda ci cula de 8cm de diáme o [63]. La gene ación del
plasma se p oduce incidiendo longi udinalmen e con ondas
elec omagné icas de 2.45GHz con di e sas pola izaciones
ob enidas po medio de una unión u ns ile. La po encia in-
ciden e a ía en el ango 0.6 a 6kW y el disposi i o puede
ope a en égimen con inuo. El plasma es á longi udinal-
men e magne izado po medio de seis bobinas que gene-
an un campo magné ico axial de en e 0.05 y 0.15T. La
máquina dispone de un sis ema de dis ibución de gases
que pe mi e elegi el ipo de gas base (He, Ne y A ) con
0.1 ≤ p ≤ 10kPa, densidad elec ónica media, n
_
e , en e 109
y 1012cm–3 y Te que puede llega has a 30eV en algunas
con igu aciones. Las luc uaciones de densidad elec ónica
a ían en e el 20% en el cen o de la desca ga y el 50% en
el ex e io , siendo las luc uaciones de po encial in e io es
al 5%. En la ac ualidad se ha ealizado una mejo a de la má-
quina pasando la cáma a de acío a se de ace o inoxidable
y aumen ando el diáme o de la misma a 15cm, con lo que
el olumen de és a aumen a en más de un ac o 4 espec o
al de la máquina an e io
El g upo de Fluidos y Plasmas de la Escuela Técnica de
Ingenie ía Indus ial de Ciudad Real, de la Uni e sidad de
Cas illa-La Mancha (UClM), abaja con un sis ema de gene-
ación de plasmas median e desca gas eléc icas in ensas
del ipo Z-Pinch [64, 65]. En es udios p elimina es sob e la
dinámica del plasma gene ado, se pudo obse a la dinámi-
ca de la implosión de la lámina de co ien e (una cásca a
cilínd ica de plasma) con una cáma a ul a ápida que pe -
mi e obse a el enómeno en las longi udes de onda de la
adiación isible [66]. En ella se puede ap ecia un Z-pinch
cuando se inicia su comp esión, a los 400ns de inicia se la
desca ga eléc ica que lo gene a y ce ca del momen o de
máxima comp esión, 200ns más a de, cuando se o ma la
columna de plasma o pinch con un adio diez eces meno
que el adio o iginal de la lámina de co ien e [67]. Pa a o -
ma el plasma, que suele du a en e 1 o 2μs, desca ga un
banco de condensado es, ca gados a 40kV, en una cáma a
de expe imen ación llena con gas de deu e io a una p e-
sión del o den de 130 Pa. Como esul ado llegan a alcanza
alo es de ne y Te del o den de 1019cm–3 y 10keV, espec i-
amen e. También se cuen a con un sis ema de gene ación
de plasma de me ales del ipo conocido como alamb e ex-
plosi o [68], en el que se desca ga un banco compues o po
dos condensado es, sob e un alamb e ino con diáme os
a iando en e los 100 y los 250mm. De es a mane a se
gene a un plasma del que o man pa e el me al apo izado
y la a mós e a que lo odea. Es e plasma se comp ime po
e ec o de la p esión c eada po el campo magné ico indu-
cido po la co ien e que ci cula po el p opio plasma, de
mane a simila a lo sucede en el Z-Pinch.
El TJ-II es un s ella a o del ipo heliac con un adio mayo
de 1.5m, un adio meno medio de 0.22m y un campo
magné ico o oidal de 1 T [69] ubicado en el Labo a o io Na-
cional de Fusión (LNF), Ciema . Los plasmas de hid ógeno,
de deu e io o de helio se c ean y se calien an empleando
una po encia de mic oondas has a 500kW, sin onizada al

Física de Plasmas Desa ollo de diagnós icos pa a plasmas: ca alizado de nue a ísica
30 REF | 27-4 | Oc ub e-diciemb e 2013
segundo a mónico (53.2GHz) de la esonancia ciclo óni-
ca de los elec ones. Los plasmas conseguidos du an unos
250μs, siendo la T
e
máxima alcanzada en el cen o de 2keV,
la n
_
e p óxima a 1013cm–3 y la empe a u a iónica del o den
de 0.1keV. Además, con 1MW de calen amien o adicional,
p opo cionado po la inyección de haces de á omos neu-
os, se alcanzan densidades más ele adas (≤5∙1013cm–3).
Finalmen e, aunque la geome ía de su cáma a de acío
es complicada, y la es uc u a del plasma o mado es idi-
mensional, el TJ-II es á do ado con 96 pue os de acceso pa a
una amplia a iedad de diagnós icos que, en muchos casos,
son u o de colabo aciones nacionales o in e nacionales.
En el epíg a e 2 se e isan las écnicas de diagnosis es án-
da que se han es ado u ilizando pa a es udia o con ola
los plasmas desc i os en es a sección. Al obje o de ag upa
écnicas basadas en enómenos de ísica elacionados en e
sí, se ha di idido el epíg a e en es subepíg a es en los que
se e isan b e emen e los pa áme os que se pueden medi
y la ísica asociada a los diagnós icos an es de p esen a
ejemplos conc e os de las écnicas u ilizadas.
2. Diagnosis de plasmas
Las magni udes ca ac e ís icas del plasma que undamen-
almen e nos in e esan pod ían ag upa se en 4 ca ego ías:
a)densidades de especies: se a a de la ne, la densidad iónica
ni, la densidad de especies exci adas en cualquie ni el ex-
ci ado, o en cualquie es ado de ionización; b) empe a u as
de especies: son la Te, la empe a u a iónica Ti, la de neu os
(gas plasmógeno), pe o ambién o as empe a u as no ciné-
icas como la de exci ación e ionización, o la de adiación,
o acional y ib acional. Muy impo an e ambién esul a la
de e minación de las unciones de dis ibución de ene gías
de las pa ículas; c)po enciales, campos y co ien es: po encial
del plasma, po encial lo an e, campo eléc ico de man e-
nimien o, campo magné ico, co ien es de calen amien o;
d)inhomogeneidades e ines abilidades: son ambién ca ac e ís-
icas po de e mina de undamen al in e és sob e odo en
plasmas as o ísicos y en plasmas de usión.
Las écnicas de diagnosis se basan en enómenos ísicos
que se dan den o del plasma de o ma na u al o median e
su in e acción desde el ex e io con el mismo. Ca ac e izan
el plasma y su es ado median e magni udes medibles y/o
compu ables. Con independencia del ipo de plasma al que
se apliquen, exis en dis in as clasi icaciones de las écni-
cas. His ó icamen e se desa olla on écnicas de: a)diagno-
sis po sondas, donde se incluyen sondas eléc icas es á icas
y dinámicas (simples y múl iples), y sondas magné icas;
b)diagnosis espec oscópica basada en el análisis espec al de la
adiación con inua o de líneas emi ida de o ma espon ánea
o inducida po el plasma, y/o abso bida po és e; c)diagnosis
elec omagné ica de e minada po la in e acción del plasma
con ondas elec omagné icas que se p opagan o son e le-
jadas po és e, lo hacen oscila de o ma esonan e en el
in e io de ca idades, o median e guías de onda y an enas, o
su en in e e encias en su seno; d)o as écnicas de diagnosis:
donde pueden inclui se las que cla amen e no espondan
a las an e io es ca ego ías. De o ma no excluyen e, las éc-
nicas pueden se expe imen ales o compu acionales, según se
use ins umen ación expe imen al, o, po el con a io, se
a e de modelos de ísica compu acional; di ec as o indi ec-
as, si de e minan alo es independien emen e de hipó esis
y modelos, o es os alo es es án p ecisamen e condiciona-
dos o in luidos po es as hipó esis, a eces ue emen e;
ac i as o pasi as, dependiendo de que se es imule de alguna
mane a al plasma pa a analiza su espues a y así ealiza
la diagnosis, o que sólo se analice lo que el plasma expulsa
de o ma na u al (pa ículas, o ones…); simples o múl iples,
según se de e mine una sola magni ud en la diagnosis, o
a ias al mismo iempo (de o ma simul ánea). La mayo ía
de los diagnós icos gozan de más de una de es as ca ac e-
ís icas a la ez y en lo que sigue los analizamos con algo
más de de alle.
2.1. Diagnosis po sondas
La diagnosis de plasmas po sondas pe mi e la de e mina-
ción de las p incipales ca ac e ís icas de los mismos como
ne o Te, po enciales de plasma, Vp, y lo an e, V , unción de
dis ibución de ene gía elec ónica, co ien es eléc icas así
como campos eléc icos y magné icos. Las sondas son iní-
simos conduc o es de di e sa geome ía que se in oducen
en el plasma y que cap u an pa ículas ca gadas, o de ec an
campos eléc icos y magné icos pa a su diagnosis. Exis en
dis in os ipos de sondas que podemos ag upa en eléc icas
y magné icas, simples y dobles, es á icas y dinámicas. Pa a
sondas eléc icas, median e la cu a ca ac e ís ica I-V de la
sonda, puede diagnos ica se an o en si uaciones es acio-
na ias como ansi o ias ne, Te, y los po enciales Vp y V . Pa a
ello, se u ilizan las dis in as egiones de dicha cu a, en
cada una de las cuales dominan o compi en las co ien es
elec ónicas e iónicas cap adas po la sonda. Dicha disc i-
minación se consigue pola izando posi i a o nega i amen e
la sonda simple espec o al plasma. En doble sonda, la po-
la ización se ealiza en una de ellas espec o a la o a. Las
sondas eléc icas dinámicas supe ponen una señal de RF a
una sonda es á ica o a una doble sonda, pudiéndose anali-
za las esonancias del sis ema sonda-plasma. Dada la api-
dísima espues a de los elec ones del plasma a cualquie
pe u bación, la diagnosis po sondas ambién esul a ú il
en si uaciones no es aciona ias del plasma, en pa icula en
los p ocesos de c eación y de ex inción de los mismos.
Dado los múl iples pa áme os que se pueden medi , mu-
chos de los g upos que apa ecen en el apa ado 1 u ilizan
sondas como diagnós ico básico. Además, dada su lexibili-
dad, cada g upo ha adap ado las sondas a sus condiciones
de abajo. Así, po ejemplo, el g upo IEM-CSIC u iliza un-
damen almen e sondas dobles pa a de e mina densidades
de ca ga y Te. La pa icula con igu ación de sus eac o es,
con el cá odo conec ado a ie a, ha impedido u iliza an-
e io men e sondas simples e e idas a dicha ie a, dados
los al os po enciales posi i os del plasma. Recien emen e se
ha comenzado a usa sondas simples pola izadas espec o
al ánodo, g acias a ampli icado es op o-acoplados diseña-
dos especialmen e pa a esis i los ol ajes necesa ios. O o
ejemplo son las sondas de Langmui emiso as y colec o as
que se emplean en la ETSIA-UPM pa a de e mina las p o-
piedades espaciales del plasma emi ido po los p opulso es.
En es e caso, las p ime as pe mi en medi el po encial local
del plasma y las segundas la empe a u a y densidad del
mismo. Las sondas emiso as son de ino hilo me álico (de
8mm de diáme o) calen ado a empe a u as po encima de
los 2000K po co ien e con inua que emi e al plasma elec-
ones po emisión e moiónica. Las sondas colec o as son
K. J. McCa hy, A. Sola, E. Anabi a e, N. Bo del, J. Co ino, C. Gómez-Aleixand e, F. J. Go dillo Vázquez, S. Ma , R. Ma ínez… Física de Plasmas
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es e as (de unos 0.5cm de diáme o) o cilind os (1.5cm de
la go) eléc icamen e pola izados que colec an co ien e del
plasma. O o ejemplo más son las desca gas luminiscen es,
como las que u iliza el g upo UO, que emplean una sonda
de Langmui [70, 71] pa a medi la densidad de elec ones
e iones, el po encial del plasma, la empe a u a elec ónica
y la dis ibución en ene gía de los elec ones. También un
g upo de la UCO u iliza sondas simples y dobles pa a la
ca ac e ización de desca gas glow en DC an o en égimen
de desca ga con inua como pulsada, pudiéndose en es e
úl imo caso segui la ápida e olución empo al du an e
ansi o ios has a de e mina la unción de dis ibución de
ene gía de las pa ículas dependien e del iempo [32, 33].
Po o o lado, en el SPLM se usa un a ay Langmui /Mach
de 6 pins o sondas de ungs eno de 0.5 mm de diáme o y
2mm de longi ud cada uno. En es e caso, las 4 sondas cen-
ales pueden unciona en con igu ación o disposición de
doble sonda p opo cionando n
e
y T
e
, o bien en disposición de
iple sonda que, jun o con la cua a sonda lo an e, sumi-
nis a in o mación de densidad, empe a u a y po enciales
así como sus luc uaciones. También es posible, si se mues-
ea con una ecuencia su icien emen e al a, de e mina el
lujo u bulen o inducido po las luc uaciones [72]. Asimis-
mo, la ce ámica que a a iesan las cua o sondas cen ales
en es a con igu ación de sondas si e como mu o en e las
dos ex e nas pa a log a una disposición ipo sonda Mach,
en la que a pa i de las co ien es de sa u ación de dichas
sondas, y con o me al modelo de Hu chinson [73], se de e -
mina el núme o de Mach. Típicamen e se encuen an lujos
subsónicos (0 <M <0.5) en sus plasmas, en los que una
elocidad de adquisición ≥200 kHz/canal pe mi e ealiza
es udios de luc uaciones de las magni udes mencionadas
con es adís icas adecuadas.
Finalmen e el TJ-II es á do ado con dos sis emas de despla-
zamien o ápido con sondas de Langmui /Mach con cabezas
dis in as [74]. Dichas sondas p opo cionan medidas locales
de densidad, po encial y empe a u a, jun o con sus luc-
uaciones, en el bo de de los plasmas. Además, conociendo
es os pa áme os se puede deduci el lujo de pa ículas y la
elocidad poloidal del plasma, así como es udia se el ni el
de anspo e u bulen o en el bo de del mismo, que es de
in e és pa a en ende las p opiedades globales de con ina-
mien o de las pa ículas.
2.2. Diagnosis espec oscópica
El es udio de la adiación emi ida o abso bida po el plasma
es el undamen o de la diagnosis espec oscópica. De o ma
gené ica se a a de ob ene la in ensidad adian e absolu a
o ela i a de emisión o abso ción. El ango de abajo a
desde el in a ojo has a la adiación X, pasando po el i-
sible, el ul a iole a, e c. Exis en écnicas espec oscópicas
de emisión o abso ción, a ómica o molecula , disc e a o
con inua, absolu a o ela i a, pa a la de e minación de n
e
, T
e
,
la empe a u a de neu os (gas) T
gas
, y la densidad de especies
exci adas. En e ellas des acamos la dispe sión Thomson (TS)
con el que se de e minan ne y Te; el ensanchamien o S a k que
pe mi e la de e minación de ne si se conoce Te; la espec os-
copía a ómica de emisión y el es udio de la sepa ación del
equilib io en el plasma como el diag ama de Bol zmann o
el sal o de Saha pa a la de e minación de la densidad de
especies exci adas y de las empe a u as de exci ación y de
ionización indica i as de Te; las bandas ib o- o acionales pa a
la de e minación de la empe a u a o acional y ib acional
indica i as de Tgas en p esencia de especies molecula es; el
ensanchamien o Dopple pa a medi Tgas o Ti, la adiación de
con inuo que iene su o igen en los p ocesos de ecombina-
ción adia i a y/o de enado (B emss ahlung) pa a la medida
de ne y Te; la dispe sión de Rayleigh y la dispe sión de Raman en
los que la dispe sión elás ica e inelás ica de o ones po
los elec ones ligados de á omos pe mi e la de e minación
de la empe a u a Tgas, en e las más impo an es. También
exis en las écnicas espec oscópicas de in e upción que
de e minan dis in as ca ac e ís icas del plasma basándose
en el compo amien o del mismo al ompe b uscamen e
los balances es aciona ios, y la espec oscopía de masas que
de e mina impo an es p opiedades de las pa ículas como
su na u aleza, iden i icación y ene gías.
Dado el g an nume o de écnicas y la g an a iedad de
in o mación que de ellas puede ob ene se, no es ex año
que se hayan implemen ado nume osas écnicas espec os-
cópicas. Así, po ejemplo, con espec o a plasmas de in e-
és o aplicación indus ial, el g upo ICMM-CSIC u iliza la
espec oscopía de emisión óp ica con el in de iden i ica
las especies p esen es en su plasma du an e el p oceso de
deposición, y en algunos casos se ha u ilizado la ac inome-
ía pa a cuan i ica la in ensidad de las líneas de emisión.
Además (en colabo ación con F. J. Go dillo Vázquez, aho a
en el IAA-CSIC en G anada), han es udiado di e en es i-
pos de plasmas de hid oca bu os [7, 12, 75, 76], en los que
se han de e minado Te [75] y la unción de dis ibución de
ene gía elec ónica (EEDF) en plasmas de A /H2/C2H2 gene-
ados po RF a baja p esión (13.3Pa) [75] en unción de la
concen ación de C2H2 que de e mina los diáme os de las
pa ículas de nanoca bono. O o ejemplo es el g upo UO. La
mues a a analiza en su cáma a es á some ida a la desca ga
que a su ez con iene á omos ex aídos que se di unden en
el plasma [77, 78]. Han es udiado el e ec o de la adición de
pequeñas can idades de gas molecula (H2, N2, O2) al gas
de desca ga con écnicas espec oscópicas, en combinación
con espec oscopía de masas, pa a de e mina los mecanis-
mos de exci ación e ionización de las especies p esen es.
O o g upo que abaja con plasmas de in e és o apli-
cación indus ial es el g upo US-CSIC. En su caso analizan
los di e en es lujos de pa ículas que llegan al ma e ial
con la espec oscopía de masas, pa ículas que, o bien se
deposi an en dicho ma e ial llegando a o ma pa e de él, o
bien desencadenan p ocesos ísico-químicos que al e an su
nanoes uc u a. Po ejemplo, han is o que uno de los lujos
ene gé icos que puede condiciona el enómeno ue emen-
e es el co espondien e a los iones al amen e ene gé icos,
y se in es igan es os lujos ene gé icos y su in luencia en la
nanoes uc u a de los ma e iales du an e su c ecimien o
[13]. El cambio nanoes uc u al se ha es udiado usando un
espec óme o de masas de úl ima gene ación y se ha con-
cluido que el cons an e bomba deo de iones nega i os de
oxígeno a ómico de al a ene gía (en e 20 y 500eV) du an e
el c ecimien o causa la desapa ición de los mo i os e ica-
les. Es os iones ápidos, a di e encia de los que se p oducen
en el olumen de plasma cuya ene gía ciné ica es á de inida
po el po encial de plasma (en o no a 10eV), se p oducen
debido a la ue e in e acción en e el plasma y el blanco
de silicio, pa cialmen e oxidado.
Física de Plasmas Desa ollo de diagnós icos pa a plasmas: ca alizado de nue a ísica
32 REF | 27-4 | Oc ub e-diciemb e 2013
En el campo de in es igación básica, en la UVA es udian la
e olución empo al de plasmas a pa i de la emisión de la luz
emi ida a a ias longi udes de onda. Po ejemplo, median e la
ealización de un diag ama de Bol zmann se de e mina en el
ins an e deseado la empe a u a de exci ación de los ni eles
de pa ida in oluc ados en las ansiciones conside adas en
dicho diag ama, empe a u a que pa a los plasmas conside a-
dos usualmen e se asimila a Te. También en la UCO, los di e -
sos g upos u ilizan an o la espec oscopía óp ica de emisión
y abso ción en el isible como la espec oscopía de masas.
En es os años, a eces en colabo ación con o os g upos, se
han usado de o ma sis emá ica: diag amas de Bol zmann
y de Saha pa a el es udio de la sepa ación del equilib io de
plasmas p oducidos po mic oondas en dis in os egímenes
de baja, media y al a p esión; la diagnosis de empe a u as
de exci ación, o acional y ciné icas de elec ones, iones y
especies neu as; écnicas combinadas de ensanchamien o
S a k así como TS pa a la diagnosis de ne y Te; la aplicación
de modelos compu acionales colisional- adia i os comple-
men a ios a las écnicas expe imen ales pa a el es udio de
p ocesos de sob epoblación y subpoblación de especies ex-
ci adas ue a del equilib io o LTE; el cocien e línea-con inuo
adyacen e pa a la de e minación de empe a u a elec ónica;
y la espec ome ía de masas pa a la diagnosis de plasmas en
DC a baja p esión, complemen a ia a las écnicas de sondas
elec os á icas que pe mi e la iden i icación de especies en
el plasma así como sus unciones de dis ibución de ene gía,
como écnicas más des acables.
Finalmen e, en el caso de los plasmas c eados po el g u-
po de la UPV/EHU se p oduce el análisis de las ene gías ci-
né icas de los iones a una dis ancia de 350mm del ma e ial
en un sis ema expe imen al que u iliza un espec óme o
de masas en iempo de uelo y un analizado elec os á ico
(AEE) que ac úa como il o de ene gías. El AEE consis e en
dos sec o es es é icos concén icos de 160º, y la aplicación
de una di e encia de po encial (ΔV) en e ambos sec o es
pe mi e que iones de una ene gía seleccionada sean en o-
cados hacia un de ec o de placas mul icanal colocado al
inal de un ubo de uelo. Median e un escaneado de ΔV se
ecogen odas las ene gías ciné icas de los iones en unción
de su ca ga y ene gía [79]. Simul áneamen e, una se ie de
ejillas y un colec o de cob e colocados en e la mues a
y la en ada del AEE hacen posible diagnos ica la co ien-
e o al de iones y su iempo de uelo en una di ección
pe pendicula a la mues a. Las dis ibuciones ob enidas a
bajas luencias del láse son sencillas; pe o, pa a la mayo ía
de los me ales es udiados (Al, Cu, Co, Sn, Pb y W), luencias
mayo es de unos 5 J/cm2 p oducen dis ibuciones es uc u-
adas. Median e un análisis de los esul ados ambién se ob-
ienen alo es medios pa a algunos pa áme os del plasma
como ne y Te. En algunos casos, la dis ibución mues a una
es uc u a con dos máximos pa a cada ión. Va iaciones de
la luencia láse han demos ado que, pa a las ca gas más
bajas, el máximo que apa ece a bajas ene gías man iene la
misma ene gía ciné ica, mien as que el de al as ene gías
mues a una impo an e a iación.
En el á ea de plasmas de in e és as o ísico, el g upo IEM-
CSIC, que abaja con desca gas luminiscen es de especies
molecula es en eac o es de labo a o io, puede iden i ica
las dis in as especies in oluc adas en el plasma y ob ene
además da os sob e Texc o Tgas, así como el g ado de disocia-
ción de algunos de los p ecu so es, median e el análisis
de espec os de emisión molecula en el isible ob enidos
median e espec oscopía dispe si a y espec oscopía de
emisión y abso ción en el in a ojo median e espec os-
copía in a oja po ans o mada de Fou ie . Es as écni-
cas se usan de o ma complemen a ia a la espec ome ía
de masas dado que su cáma a es á do ada con dos espec-
óme os de masas cuad upola es que les pe mi e medi
po sepa ado las concen aciones de las especies neu as o
iónicas del plasma. En el p ime sis ema, la de ección de los
neu os se ealiza as ionización po impac o elec ónico,
disc iminando su elación masa/ca ga en un il o cuad u-
pola . En algunos casos, se han podido de ec a adicales
po “ionización en el umb al” ( e e ido a la de ene gía de
impac o de los elec ones). En el segundo sis ema, los iones
p oceden es del plasma se de ec an sin necesidad de ioniza-
ción pos e io en el espec óme o. En es e úl imo caso, un
analizado de ene gía inco po ado al mismo pe mi e ob e-
ne las dis ibuciones de ene gías iónicas. Con es e sis ema
se ha desa ollado ecien emen e una écnica que pe mi e
iden i ica iones de igual elación ca ga/masa pe o dis in a
composición, así como dis ingui algunos p ocesos pa icu-
la es en el in e io del plasma y en la aina [80].
Pa a el es udio del magne ismo de la a mós e a sola , las
écnicas espec o-pola imé icas son undamen ales po que
los campos magné icos del plasma sola dejan la huella de
su p esencia en la pola ización de las líneas espec ales del
espec o sola , lo que ocu e undamen almen e po e ec o
Zeeman y e ec o Hanle [81]. El g upo IAC es udia los cam-
pos magné icos sola es en un ango de in ensidades que a
desde ~0.001 gauss has a los miles de gauss ca ac e ís icos
de las manchas sola es. Algunas de las écnicas de diag-
nós ico u ilizadas se basan en las señales de pola ización
ci cula (pe il de S okes V) y lineal (pe iles de S okes Q
y U) p oducidas po el e ec o Zeeman, las cuales son espe-
cialmen e ú iles pa a es udia egiones signi ica i amen e
magne izadas (B >100 gauss) y ela i amen e ías (T <10
4
K)
de la a mós e a sola [82-84]. Además, u ilizan el e ec o Han-
le o modi icación de la pola ización lineal p oducida po
p ocesos de dispe sión en una línea espec al debida a la
p esencia de un campo magné ico inclinado con espec o
al eje de sime ía de la adiación anisó opa inciden e, la
cual p oduce bombeo óp ico en el sis ema a ómico. Es e
e ec o es especialmen e sensible en e 0.1 y 10BH, donde
BH es el campo magné ico c í ico pa a el cual la sepa ación
de las componen es π y σ es igual a la anchu a na u al
(mucho meno que la anchu a é mica de la línea espec-
al sola conside ada). Es e g upo ha desa ollado écni-
cas de diagnós ico basadas en los e ec os Hanle y Zeeman,
demos ando que son especialmen e ú iles pa a es udia
egiones mode adamen e y débilmen e magne izadas de
la a mós e a sola (B ≤100 gauss), como las que se encuen-
an en la c omos e a, egión de ansición y co ona [85-87].
Además, el e ec o Hanle pe mi e de ec a la p esencia de
campos magné icos alea o iamen e o ien ados po debajo
del lími e de esolución de los elescopios ac uales, lo que
ha pe mi ido demos a que las egiones apa en emen e no
magne izadas de la o os e a sola sí lo es án, con una muy
impo an e densidad de ene gía magné ica [88].
Finalmen e, en el campo de plasmas de usión nuclea ,
las écnicas espec oscópicas juegan un papel impo an e
K. J. McCa hy, A. Sola, E. Anabi a e, N. Bo del, J. Co ino, C. Gómez-Aleixand e, F. J. Go dillo Vázquez, S. Ma , R. Ma ínez… Física de Plasmas
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pa a de e mina los pa áme os básicos así como pa a in-
es iga enómenos de in e és. Po ejemplo, en el TJ-II se
usa una amplia gama de écnicas an o pasi as como ac i as
pa a diagnos ica el plasma desde su bo de ío has a su
cen o calien e [69]. De hecho, se ap o echa odo su espec-
o elec omagné ico de emisión, desde los ayos X has a
las mic oondas. Con espec o a los diagnós icos pasi os, se
pueden des aca los conjun os de bolóme os mul icanales
localizados en dis in as localizaciones o oidales del o o
que miden la po encia adiada po el plasma [89]; los mo-
ni o es de la línea Hα, pa a es udia la ísica del bo de; la
espec oscopía óp ica, pa a iden i ica impu ezas y segui
su e olución empo al [4]; la adiome ía de emisiones ci-
clo ónicas po elec ones pa a ob ene Te en dis in as posi-
ciones adiales [90]; los moni o es de ayos X pa a medi Te
cuando ne ≥1.7∙1013cm–3 y pa a es udia las poblaciones de
elec ones sup a é micos [91]; y los analizado es de pa ícu-
las neu as (espec óme os de masa) pa a c ea un pe il de
la empe a u a de los p o ones median e el in e cambio de
ca ga en e p o ones y á omos neu os [92]. Con espec o a
los sis emas ac i os se pueden des aca el TS pa a ob ene
pe iles adiales de ne y Te [93] o la inyección de ma e ia
median e ablación po láse [94] y su seguimien o con es-
pec oscopía pa a es ima los iempos de con inamien o
y la acumulación de las pa ículas. Po o a pa e, exis en
o os sis emas ac i os ins alados como son, po ejemplo,
la inyección de gas pa a es imula emisiones espec ales
en el bo de pa a el es udio de la u bulencia con cáma as
ápidas [95]; un haz de á omos ápidos de hid ógeno acele-
ados a 30keV pa a ob ene T
i
, la elocidad de las impu ezas
y el campo eléc ico adial median e la espec oscopía de
ecombinación po in e cambio de ca ga [96]; o un haz su-
pe sónico de helio pa a econs ui pe iles de ne y Te en el
bo de del plasma median e el mé odo de los cocien es de
in ensidades de línea [97].
2.3. Diagnosis elec omagné ica
El es udio de la in e acción de ondas elec omagné icas de
baja in ensidad con plasmas cons i uye una o ma de ob-
ene in o mación sob e és os. Du an e es a in e acción,
las ondas elec omagné icas iajan po el plasma usándolo
como medio de p opagación de al mane a que las ca ac e ís-
icas p opaga i as de los campos elec omagné icos (n.ºde
ondas β, a enuación α) quedan ligadas o de e minadas po
las ca ac e ís icas cons i u i as de dicho medio (las écni-
cas pu amen e p opaga i as). Du an e es a p opagación, las
ondas pueden su i in e e encias en e ellas, e leja se y/o
e ac a se en sus con o nos así como dispe sa se, odo lo
cual posibili a la diagnosis al es a los an e io es enómenos
ondula o ios de e minados po las condiciones del plasma
(las écnicas de in e e ome ía y e lec ome ía). Pe o es as on-
das ambién pueden induci oscilaciones o zadas en los
plasmas exci ando sus ecuencias de esonancias, elacio-
nadas de una o ma u o a con la ecuencia del plasmaωp,
lo que se consigue con ca idades esonan es que con ienen
plasma, guías de onda ec angula es a a esadas po ubos
de plasma y an enas emiso as/ ecep o as colocadas en las
ce canías de és os (las écnicas esonan es). El modelo dieléc i-
co del plasma en in e acción con campos elec omagné icos
cons i uye una ap oximación exi osa que esul a necesa ia
pa a elaciona las p opiedades plasma/onda. En el modelo,
la pe mi i idad εp y la conduc i idad σ del plasma son com-
plejas y unción de es ecuencias de in e és: ω
p
ecuencia
del plasma, νe ecuencia de colisión pa a elec ones y ω
ecuencia de exci ación de la onda elec omagné ica.
Como con las écnicas an e io es, ambién los di e en-
es g upos han desa ollado diagnós icos basados en écni-
cas elec omagné icas. Po ejemplo, en la UVA es udian la
e olución empo al de ne, del o den de 1017cm–3, median-
e in e e ome ía láse a dos longi udes de onda (543.0 y
632.8nm) a pa i de las a iaciones de e ac i idad p o-
ducidas en el plasma du an e una desca ga. O o ejemplo,
en el SPLM se de e mina ne, en e 109 y 1012cm–3 po medio
de un in e e óme o de 8mm. También, el g upo UClM
es udia la e olución de la dinámica de los plasmas gene-
ados en el Z-pinch y en el alamb e explosi o, que se es án
desa ollando, con o og a ías Schlie en y shadowg aphy que
pe mi en es udia las a iaciones y g adien es de densidad
espec i amen e. Ambos sis emas es án basados en la in e -
e encia de ondas luminosas p o ocada po las di e encias
en el índice de e acción del medio que a a iesa, que en
el caso de plasmas se pueden co elaciona con su densidad.
Finalmen e, en el TJ-II se u iliza la e lec ome ía Dopple
de mic oondas pa a medi la elocidad pe pendicula de
las luc uaciones de densidad y el campo eléc ico ce ca del
bo de [98] y la in e e ome ía de dos colo es pa a segui
la e olución de densidad media de línea a lo la go de una
desca ga [99].
También un g upo de la UCO u iliza diagnós icos elec-
omagné icos pa a es udia la p opagación de ondas elec-
omagné icas a lo la go de columnas cilínd icas de plasma
p oducidas po mic oondas (una onda elec omagné ica a
2.45 GHz c ea y se p opaga po el plasma al mismo iempo)
de adio en e 1.5 y 4.5 mm. Median e es a écnica pu amen-
e p opaga i a, se de e mina on las cons an es β y α de la
onda elec omagné ica, y su elación con las ca ac e ís icas
del plasma dadas po las ecuencias ωp y νe. Bajo condicio-
nes del modelo dieléc ico del plasma en in e acción con
ondas elec omagné icas, es as dos ecuencias pe mi en
la de e minación de ne y Te [100]. Asimismo, es udiando el
ansi o io en los p ime os ins an es de la ex inción, pu-
die on de e mina se coe icien es y ecuencias e ec i as de
di usión ambipola y de ecombinación en las columnas de
plasma [101]. Po o o lado, median e écnicas esonan es,
u ilizando la esonancia dipola de la columna cilínd ica de
plasma (o esonancia p incipal de Tonk-Da ne ) se de e mi-
nó ne du an e el p oceso ansi o io de ex inción del plasma
y su coe icien e de di usión ambipola Da [102].
3. Diagnós icos en desa ollo
En es a sección se des acan nue os diagnós icos, o modi ica-
ciones de o os, que se es án lle ando a cabo en las dis in as
á eas de in es igación de in e és aquí. Es os desa ollos se
p esen an con una desc ipción de cada uno de ellos y de la
nue a ísica in es igada.
1. En la ac ualidad, el g upo ICMM-CSIC es á es udiando
plasmas ECR de mezclas CH4/A pa a la o mación de capas
de ca bono amo o hid ogenadas con es uc u a ipo ulle-
eno. Du an e el p oceso de deposición, se aplica un ol aje
nega i o al po asus a os que a ec a a la dis ibución del
plasma en su cáma a de eacción. De esa mane a, el alo
del po encial medido en el en o no del sus a o, que depen-