Електричні зонди в плазмі

Розділ 8

ДІАГНОСТИКА ПЛАЗМИ

На закінчення коротко розглянемо основні методи експериментального визначення параметрів плазми. Ці методи можна розділити та три групи – методи зондової діагностики, методи спектроскопічної діагностики і методи надвисокочастотної та лазерної діагностики.

Електричні зонди в плазмі

Зондовий метод діагностики плазми, запропонований І.Ленгмюром у 1923 році, й досі залишається одним з найпопулярніших методів діагностики низькотемпературної лабораторної плазми.

6.1.1. Одиночний зонд: вигляд зондової характеристики

Загальна схема зондових вимірювань та типові конструкції зондів подані на рис. 6.1. Типові розміри зондів – порядку 1мм, діаметр дроту – 0.05÷0.5мм. Зонди виготовляються з тугоплавких металів (вольфрам, молібден, тантал). Потенціал зонду фіксується щодо опорного електрода – анода, катода або заземленої металевої стінки розрядної камери.

а	б
Рис. 6.1. Електричний зонд: а – типова схема зондових вимірювань; б – циліндричний (1), сферичний (2) та дископодібний (3) зонди.

Дещо ідеалізована вольт-амперна характеристика зонда подана на рис. 6.2. Спробуємо якісно пояснити її хід.

Рис. 6.2. Вольт-амперна характеристика одиночного зонда.

Нехай за відсутності зонда плазма електронейтральна, n_e=n_i=n₀. Нехай потенціал плазми щодо опорного електрода в точці розміщення зонду дорівнює V_s. Нехай потенціал V_s мало змінюється в області, яка збурюється наявністю зонду. Вимірюваний потенціал зонду буде V=V_р+V_s, де V_р – потенціал зонду щодо плазми в його околі. Електричний струм на зонд визначається струмами електронів та позитивних іонів: і=і_е–і_і.

Якщо потенціал зонду дорівнює потенціалу простору, а поверхня збору струму паралельна до напрямку зовнішнього поля між анодом і катодом, то заряди потрапляють на зонд лише внаслідок їхнього теплового руху. Але в розрядах невисокого тиску v_Te>>v_Ti, тому при V=V_s струм на зонд буде визначатися переважно електронами, і»і_е.

При V>V_s електричне поле відштовхує від зонду іони, а електрони притягає. В результаті навколо зонду утворюється шар негативного об’ємного заряду, який екранує потенціал V_р. Якщо ввести умовну поверхню цього шару, то саме вона збирає струм електронів, що є тепловим і слабко залежить від потенціалу зонда (така залежність мала б зникнути для нескінченного плоского електрода).

Якщо потенціал зонда буде негативним щодо плазми, то електронний струм рідко спадатиме зі зростанням |V_р|, оскільки зменшується частка електронів, здатних проминути гальмівне поле. Так формується крута частина вольт-амперної характеристики (ділянка С). Місце верхнього “зламу” вольт-амперної характеристики фіксує потенціал простору V_s. При V=V_f струм зникає (невеликий потік швидких електронів компенсується потоком іонів). Саме такого, як кажуть, плаваючого потенціалу набуває ізольоване тіло, вміщене в плазму.

При V<V_f зонд відштовхує майже всі електрони. Навколо нього утворюється іонний шар позитивного об’ємного заряду, що компенсує від’ємний потенціал V_р. Струм на зонд чисто іонний і слабко залежить від потенціалу зонду.

Можна показати, що у випадку максвеллівського розподілу електронів крута частина вольт-амперної характеристики описується формулою:

, (6.1)

де

– середня теплова швидкість електронів, S – площа поверхні електрода.

Побудувавши залежність ln i від V, за її нахилом можна визначити T_e.

В точці “зламу”(при V=V_s)

(6.2)

Знаючи v_Te з вимірів T_e, за цим струмом можна знайти концентрацію плазми n₀ (для тисків, які не перевищують 0.1¸1 тор, коли l_f>>r_D, S^1/2, де S^1/2 – характерний розмір зонду).

Оскільки крута частина вольт-амперної характеристики визначається розподілом електронів за енергіями, з неї можна знайти цей розподіл:

, (6.3)

де

. (6.4)

Наведені вище результати справедливі у випадку ізотропної плазми. При накладанні магнітного поля, коли плазма стає анізотропною, вигляд зондових характеристик дещо зміниться. Зокрема, в деяких випадках він залежатиме від орієнтації зондів щодо магнітного поля.

6.1.2. Подвійні зонди

За відсутності опорного електрода (наприклад, у високочастотному розряді) користуються так званим подвійним зондом (рис. 6.3 а).

При таких вимірюваннях напруга між окремими зондами повинна не лише змінюватися за величиною, але й змінювати свій знак. Якщо зонди ідентичні, вольт-амперна характеристика буде непарною функцією прикладеної напруги (рис. 6.3 б). Ділянки з малим нахилом відповідають іонному струму насичення. На середній ділянці істотний внесок дає електронний струм. З цієї вольт-амперної характеристики можна визначити електронну температуру та концентрацію електронів.

а	б	в
Рис. 6.3. Подвійний зонд: схема увімкнення (а) та вольт-амперні характеристики за відсутності (б) та за наявності (в) електричного поля в плазмі.

Подвійний зонд дозволяє також виміряти величину електричного поля в плазмі (якщо воно там існує) – за зміщенням DV точки нульового струму (рис. 6.3 в). Поле визначається з формули E=DV/Dx, де Dx – віддаль між зондами).

При підвищенні тиску використання зондової методики суттєво ускладнюється.

Дата добавления: 2015-12-08