78464 - PLASMA ENGINEERING M

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2021/2022

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.

Contenuti

Elementi di fisica dei plasmi

Definizione di Plasma. Grandezze caratteristiche di un plasma: lunghezza di Debye, frequenza propria del plasma

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. Equazione di Maxwell-Boltzmann. Equazione di Fokker-Plank. Equazione di Vlasov.

Fenomeni collettivi: potenziale schermato di Coulomb ed effetto guaina, conducibilità elettrica in un gas ionizzato, parametro di Hall, legge di Ohm generalizzata.

Modelli di plasmi: Modello MHD, approssimazione MHD; modello drift-diffusion; modelli particellari (Particle in Cell)

Campi magnetofluidodinamici: regimi diffusivi e convettivi, numero di Reynolds magnetico e parametro di interazione. Applicazioni: conversione MHD dell'energia, interazioni MHD in flussi ipersonici nel rientro in atmosfera di veicoli spaziali.

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.

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.

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.

Applicazioni Aerospaziali: propulsione spaziale, equazione del razzo, propulsione elettrica, resistorjet, propulsori ionici, propulsori Hall, propulsori MPD.

 


Testi/Bibliografia

La serie completa delle diapositive proiettate durante le lezioniè disponibile sulla piattaforma IOL (insegnamenti on line)

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 si svolge durante il secondo ciclo del secondo anno del corso di laurea magistrale in "Ingegneria dell'Energia Elettrica", ed è composto da 6 crediti corrispondenti a 60 ore di lezioni, durante le quali l'insegnante spiegherà in classe gli argomenti trattati nel programma. Compatibilmente con l'attuale emergenza sanitaria, parte del corso verrà svolta in laboratorio, dove gli studenti saranno coinvolti attivamente.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame è orale e ha lo scopo di valutare l'acquisizione da parte dello studente delle conoscenze di base in materia di scienza e tecnologia del plasma.


Durante l'esame lo studente deve dimostrare una comprensione delle nozioni fondamentali e la capacità di applicare le conoscenze acquisite a casi di interesse pratico. Durante l'esame, lo studente presenterà un breve rapporto sulle attività svolte durante le lezioni di laboratorio e discuterà dei risultati ottenuti. Lo studente sarà inoltre invitato a discutere alcuni degli argomenti insegnati durante il corso. La discussione avrà lo scopo di confermare che lo studente abbia raggiunto una visione organica dell'argomento proposto, che abbia acquisito una buona conoscenza del linguaggio tecnico specifico e una capacità di sintesi e analisi. Il grado di soddisfazione dei requisiti di cui sopra verrà utilizzato per formulare il punteggio finale.

Strumenti a supporto della didattica

La diapositive proiettate durante le lezioni sono disponibili sulla piattaforma Insegnamenti On Line.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea Cristofolini