Главная / Вакуумная и плазменная электроника / Исследование газоразрядной плазмы методом зондов

Исследование газоразрядной плазмы методом зондов

Цель работы: Знакомство с экспериментальной методикой зондовой диагностики газоразрядной плазмы; экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления.

Общие сведения

Метод электрических зондов, разработанный в 1924 году Лекгмюром, позволяет измерять основные параметры плазмы: концентрацию, температуру частиц плазмы, потенциал пространства и градиент потенциала, направленную скорость заряженных частиц, функцию распределения электронов по скоростям.

Электрический зонд Ленгмюра представляет собой небольшое по сравнению с общим объемом плазмы металлическое тело, вводимое в плазму, на которое подается потенциал относительно опорного-электрода. Наиболее широко применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Параметры плазмы определяются по вольт-амперной характеристике зонда.

В наиболее простом виде теория метода зондов базируется на следующих допущениях:

1. Электроны в невозмущенной плазме имеют максвелловское распределение по скоростям.

2. В окрестности зонда, помещенного в плазме, образуется слой пространственного заряда, который экранирует действие зонда. Толщина слоя объемного заряда зависит от приложенного напряжения и имеет порядок нескольких (1..10) дебаевских радиусов RD. Характерный размер зонда много больше слоя объемного заряда. Слой пространственного заряда считается бесстолкновительным.

3. Электроны, находящиеся в тормозящем поле слоя объемного заряда, распределены по закону Больцмана.

(1)

Где NEo — концентрация плазмы на границе сдоя; E — заряд электрона; K — постоянная Больцмана; TE электронная температура; U потенциал пространства в слое; UO потенциал плазмы на границе слоя.

Рассматриваемая теория позволяет получить аналитические выражения для описания вольт-амперной характеристики зонда.

В общем случае ток в цепи зонда определяется суммой электронного IE и ионного II токов

(2)

Если U3 <<UO, то практически все электроны отталкиваются от зонда и в его цепи течет ток равный току насыщения ионов на зонд, величина которого при TE ≈ TI — равна

(3)

Где MI — масса иона; S — собирающая площадь зонда и при TE >> TI

(4)

Где α — безразмерный параметр (0,260,8), зависящий от геометрии зонда (цилиндрический зонд имеет 0,4).

При повышении потенциала в цепи зонда начинает возрастать электронный ток, величина которого в зависимости от потенциала зонда имеет вид

(5)

Где MЕМасса электрона.

В силу того, что ионный и электронный токи в цепи зонда текут в противоположных направлениях, при некотором значении U, называемом потенциалом плавающей стенки Uпл, ток в цепи зонда обращается в нуль.

При выполнении условия UПл ≤ UUO вклад ионного тока в зондовый ток можно не учитывать, так как MI >>ME, а TE >> TI или TE ≈ TI, поэтому зондовый ток будет определяться выражением (5). В случае равенства потенциала зонда потенциалу плазмы на зонд потечет электронный ток насыщения из плазмы, так как тормозящее поле будет отсутствовать

(6)

Дальнейшее возрастание потенциала зонда уже не приводит к существенному росту I3 , который может объясняться только увеличением собирающей поверхности зонда вследствие возрастания слоя объемного заряда d, величину которого при U > UO можно определить из закона "степени 3/2" Лангмюра

(7)

Рис.1

На рис. 1 представлены зондовые характеристики. Кривая I получена по упрощенной теории, а кривая 2 учитывает проникновение поля зонда в плазму.

Определение параметров плазмы

Определение электронной температуры.

По данным зондовой характеристики I3=F(U3) cтроится зависимость Ln[IE]=F(U3), для чего из I3 Следует вычесть II . Из выражения (5) имеем

(8)

Отсюда электронная температура

(9)

Определение продольного градиента потенциала

Для определения продольного градиента потенциала необходимо в плазме иметь два зонда с известным расстоянием между ними L, тогда

(10)

Где U01, U02 — потенциалы плазмы в месте установки первого и второго зондов.

Определеление направленной скорости электронов

Для определения направленной скорости электронов необходимо иметь поворотный зонд или два зонда ориентированных на 180°, тогда

(11)

Где IE1 — ток зонда ориентированного по дрейфовому току, а IE2 — ток зонда повернутого на 180°. Вместо IE1-IE2 допустимо применять I31-I32 при U=UO.

Методические указания к проведению лабораторной работы

Работа выполняется на стенде, блок схема которого приведена на рис. . Он включает в себя генератор плазмы низкого давления, в котором зажигается разряд с накаленным катодом в парах ртути. Электрическая схема состоит из блока накала катода БН, блока разрядного напряжения БРН, блока задания потенциала зонда, который можно подключать как к катоду, так и к аноду макета. В макете установлены цилиндрические и плоские зонды с охранными кольцами. С помощью переключателя S1 зонды поочередно подключаются к источнику смещения. В цепи зонда устанавливаются несколько однопредельных милли и микроамперметров, так как при снятии зондовых характеристик ток может изменяться на 5-4 порядка и, кроме того, менять направление. Ключи S2 и S3 служат для шунтирования чувствительных приборов при измерениях токов превышающих допустимые для них.

Перед выполнением работы следует ознакомиться с инструкцией по эксплуатации стенда и расположением органов управления.

Далее на стенде производится снятие вольтамперных характеристик всех зондов при нескольких значениях разрядных токов, согласованных с преподавателем.

На основании экспериментальных данных в соответствии с указаниями, приведенными в п.2, производится обработка вольт-амперных характеристик и определение параметров газоразрядной плазмы.

Содержание отчета

Отчет о проведенной работе должны быть выполнен в соответствии с требованиями к оформлению отчетов о научно-исследовательских работах или соответствующими требованиями к оформлению учебных документов и содержать: цель работы, схему экспериментального стенда, таблицы экспериментальных и рассчитанных данных, примеры зондовых характеристик и зависимости, выводы по проделанной работе.