78464 - PLASMA ENGINEERING M

Scheda insegnamento

  • Docente Carlo Angelo Borghi

  • Crediti formativi 6

  • SSD ING-IND/31

  • Modalità didattica Convenzionale - Lezioni in presenza

  • Lingua di insegnamento Inglese

  • Orario delle lezioni dal 25/02/2019 al 04/06/2019

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the students are able to understand the main aspects of the plasma generation and its behaviour at different operating conditions. Few plasma technologies are considered: plasma treatment of surfaces (plasma etching, deposition, implantation and sputtering), electro-plasma-dynamic and magneto-plasma-dynamic interactions and their applications, the main aspects of the thermonuclear fusion with magnetic confinement, and bio-medic plasma techniques. Therefore the students are able to operate on advanced technologies used in industry and in research field.

Programma/Contenuti

Elementi di fisica dei plasmi:

Moto delle particelle cariche: moto di una particella carica in campi elettromagnetici, momento magnetico di una particella carica ed invarianti adiabatiche, specchi magnetici.

Processi radiativo-collisionali: particelle fondamentali di un plasma, sezioni d'urto e velocità di reazione, velocità di massa di un plasma, corrente elettrica di conduzione e di convezione, collisioni elastiche, collisioni Coulombiane e collisioni non elastiche nei gas ionizzati.

Processi radiativi: radiazioni bound-bound, emissione spontanea, emissione forzata ed assorbimento, allargamento di linea, radiazioni bound-free e radiazioni free-free.

Comportamento statistico dei plasmi: distribuzione Maxwelliana della velocità, relazioni di Boltzmann, relazione di Saha e relazione di Plank, principio del bilancio dettagliato, regimi di equilibrio.

Fenomeni collettivi e grandezze caratteristiche del plasma: lunghezza di Debye, potenziale schermato di Coulomb ed effetto guaina, frequenza propria del plasma, conducibilità elettrica in un gas ionizzato, parametro di Hall, legge di Ohm generalizzata.

Descrizione dei campi magnetofluidodinamici: approssimazione MHD, equazioni dell'Elettrodinamica ed equazioni della Fluidodinamica, regimi diffusivo e convettivo, numero di Reynolds magnetico e parametro di interazione, equazioni di conservazione per plasmi in parziale equilibrio termodinamico locale.

Interazione magnetofluidodinamica:

Il principio dell'interazione magneto-fluido-dinamica MHD: forze di Lorentz che agiscono su un flusso di plasma, carico elettricamente, immerso in un campo magnetico perpendicolare al moto, e le forze termodinamiche del moto.

Leggi fondamentali: leggi di Navier-Stokes, leggi di stato in un plasma e leggi dell'Elettrodinamica, conducibilità del non equilibrio e leggi di conservazione per gli elettroni. Approssimazione quasi-monodimensionale dell'Elettrodinamica e flusso di Hrtmann. Conversione MHD dell'energia. Interazioni MHD in flussi ipersonici nel rientro in atmosfera di veicoli spaziali.

Scariche elettriche:

Caratteristiche della scarica in un gas: energia e specie attive, equilibrio e non-equilibrio, scarica nera, scarica Townsend, breakdown, scarica a bagliore e scarica ad arco. Scariche ad alta frequenza: scariche induttive, capacitive ed a microonde. La scarica a barriera (DBD). Interazione elettro-fluido-dinamica (EHD) nelle scariche a barriera. Applicazioni dell'effetto EHD nell'aeronautica.

Applicazioni mediche del plasma:

Principali applicazioni: sterilizzazione, trattamento di ferite e cellule cancerose, trattamento di biopolimeri. Sterilizzazione da virus, batteri, muffe e disinfezione da parassiti a secco ed in soluzioni acquose.

Fusione termonucleare controllata:

Principio fisico della fusione e caratteristiche principali dei plasmi fusionistici: principali reazioni di fusione, barriera Coulombiana e probabilità di reazione, bilanci energetici, criterio di pareggio e criterio di ignizione, legge di Lawson, confinamento magnetico del plasma, superfici di confinamento e proprietà diamagnetiche del plasma, configurazioni lineari, z-pinch ed equazione di Bennet, z-pinch stabilizzati, configurazioni toroidali, calcolo del campo magnetico di equilibrio, fattore di sicurezza ed ergodicità del sistema magnetico, tipi di configurazioni toroidali, il tokamak, il reversal field pinch e lo stellarator, instabilità nei plasmi fusionistici, instabilità MHD nelle configurazioni lineari e nelle configurazioni toroidali, stabilizzazione delle configurazioni toroidali, riscaldamento del plasma, aspetti ingegneristici della macchina tokamak.

Tecnologie a plasma

Torce a plasma e plasma jet: fondamentali caratteristiche e aspetti costruttivi dei principali generatori di plasma impiegati nella tecnica: incisioni a plasma, deposito di plasmi, impianto a plasma, erosione e corrosione a plasma. Alcune applicazioni nella tecnica.

Testi/Bibliografia

La serie completa delle diapositive proiettate durante le lezioni costruiscono gli appunti del corso disponibili al sito web del docente (http://www.die.ing.unibo.it/pers/borghi/carlo.htm).

I testi consigliati per consultazione ed approfondimento, sono:

  • J.D. Jackson, “Classical Electrodynamics”, John Wiley and Sons, New York, 1975
  • J.L. Shohet, “The Plasma State”, Academic Press, New York, 1971
  • L. Spitzer, “Physics of Fully Ionized Gases”, Interscieces, 1962
  • R.J. Rosa, “Magnetohydrodynamic Energy Conversion”, McGraw Hill, 1968
  • M. Mitchner and C.H. Kruger, “Partially Ionized Gases”, John Wiley and Sons, New York, 1973
  • J.R. Roth, “Industrial Plasma Engineering”, Vol. 1 and 2, Institute of Physics Publisching, Philadelphia, 1995-2000
  • W.M. Stacey, “Fusion Plasma Analysis”, John Wiley and Sons, New York, 1981

Metodi didattici

Il corso sarà svolto con lezioni frontali tenute dal docente. Inoltre le lezioni teoriche saranno integrate con lezioni in laboratorio ove gli studenti saranno coinvolti attivamente. Le lezioni teoriche saranno svolte con l'ausiglio di diapositive.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame è orale. Ogni martedì è possibile sostenere l'esame fissandolo per appuntamento col docente tramite e-mail (ca.borghi@unibo.it).

Strumenti a supporto della didattica

La diapositive proiettate durante le lezioni, che costruiscono gli appunti del corso, sono disponibili al sito web del docente (http://www.die.ing.unibo.it/pers/borghi/carlo.htm).

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Carlo Angelo Borghi