Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том II

V.5. ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

зовании особенности ВАХ «малого» сферического зонда Ленгмюра в режиме орбитального движения, когда его электронный ток «насыщения» 1е ос (ipp — ips) и, следовательно, величина dl/dU становится постоянной при ipp > ipa. Ее легко выявить в ВАХ стандартными способами измерения dl/dU путем подачи малого синусоидального смещения U на зонд. Наконец, можно использовать «самоэмиттирующие» свойства зондов, в т.ч. в режиме «пробоя». В этом случае зонд, так же как и «плавающий» эмиссионный зонд, от потенциала у>/ (8.1) может приблизиться к ipa, но не настолько близко, как накаленный (до ipB — ipp ~ Tw/e), a до значений tpp, соответствующих минимальному падению потенциала ~ 10—20 В на дуге при ее пороговом токе ~0,1 А.

В завершение раздела техники электрозондовых измерений следует рассмотреть основные требования и особенности исполнения токорегистрирующих зондовых схем и устройства электродов ДЗ для различных вариантов исследования плазменных параметров. Простейшая специальная схема (рис. V.5.27,a) для измерения тока / и исследования ВАХ одиночного ЛЗ в нестационарной плазме состоит из токовой цепи с последовательно включенными нагрузочным сопротивлением

ДЗН

Рис. V.5.27. Принципиальные схемы измерения импульсного тока I электрических зондов в вариантах одиночного (а) и двойного «противозонда» ДЗ (б) в нестационарной плазме: Я/ — нагрузочное сопротивление в цепи тока, Си — конденсатор для подачи напряжения смещения U на зонд, Лз — зарядные сопротивления конденсатора, R — нагрузочное сопротивление схемы, равное волновому сопротивлению Z ее выходного кабеля, Сf — емкость входной части схемы ДЗ относительно «земли», Сд — паразитная емкость между входной и выходной обмотками трансформаторной схемы гальванической развязки ДЗ; / — стенка камеры установки, 2 — плазма, 3 —- изоляторы зонда, 4 — «заземленный» экран схем, 5 — кабель, 6 — экран входной части схемы ДЗ под «плавающим» потенциалом <рj

Lz кабеля, соединяющего схему с зондом. Номиналы этих элементов выбираются, исходя из требования основного падения подаваемого потенциала U именно на плече «зондплазма» цепи в течение всей регистрации, что приводит к следующим условиям:

(8.4)

наряду с очевидным требованием R\ -ti Z волнового сопротивления кабеля для регистрации тока на осциллографе. Все эти же условия должны быть выполнены и при исполнении более сложных схем регистрации тока двойных

487

зондов, требование «плавания» которых делает необходимым выполнение таких дополнительных условий, как способность выдержать без пробоев контакт с высоким потенциалом в плазме iff ~ кВ и успеть зарядиться до него за время Tf и Cf<pf/j-,Sr, много меньшее характерных времен изменения параметров плазмы при обычном значении емкости Cf ~ 100 пФ между схемой и «землей». Для уменьшения влияния электростатических наводок от у>/ все виды схем необходимо тщательно заэкранировать, причем «плавающие» должны иметь как минимум два экрана (рис. V.5.27,6): один обычный, «заземленный» и экранирующий все выходные цепи схемы, включая осциллограф, а второй, находящийся под «плавающим» потенциалом и охватывающий всю входную цепь, начиная с зонда, таким образом, чтобы между этими цепями была минимальная емкостная связь, а между экранами — надежная изоляция. Традиционно гальваническая развязка при напряжениях ^ 1 кВ (и в полосе ~ 10 кГц—10 МГц) между входной и выходной цепями схемы двойных зондов осуществляется индуктивным способом, на основе различных трансформаторов (рис. V.5.27,6) или поясов Роговского с разрезами в экранах, за счет которых возникает емкостная связь между цепями, характеризуемая эффективной проходной емкостью Сд ~ 10 пФ.

В последние годы для этой цели эффективно применяются специальные оптронные развязки, которые могут обеспечить работу при напряжениях до 1000 кВ и в полосе от нуля до ~ 100 МГц в широком динамическом диапазоне ~ 100 дБ. Во многих случаях плазменных измерений задача гальванической развязки двойных зондов может быть решена с помощью более простых и универсальных схем со сравнимым диапазоном при емкости Сд ~ 1 пФ, выполненных на основе поясов Роговского (до 20 кВ в полосе до 50-500 МГц) или промышленных диодных оптопар типа ЗОД101А, АОД130А до 0,5-5 кВ в полосе до 10 МГц.

Не менее существенными могут быть паразитные токовые наводки внутри входной цепи любых схем как из-за наличия паразитной емкости С* токоподвода измерительного электрода ДЗ на «землю», так и его «неэквипотенциального» расположения относительно опорного, при наличии больших градиентов ipa ^ 1 кВ/см в типичных условиях распространения ударных волн и лазерной плазмы поперек магнитного поля В или развития ее турбулентности. Их уровень определяют общим способом проверки нулевой величины сигнала / при (7 = 0. Они могут быть особенно значительными при использовании заведомо несимметричного метода «противозонда» с большим опорным электродом, принимающим значение некоторого среднего «плавающего» потенциала ipf. В этом случае даже при эквипотенциальном расположении электродов существенно различного размера по отношению к радиусу Дебая или Лармора из-за разницы в условиях их зарядки до tp/ в потоках плазмы и поле В, они могут «плавать» с разными ipf, но давать в таком случае токовую наводку или сдвиг AU ~ Aiff в ВАХ не паразитного, а регулярного характера, в отличие от эффектов «неэквипотенциальности», характеризуемых скачками тока на фронтах плазмы или поля В. С учетом этих особенностей, для исследований типа измерения Те лазерной плазмы в поле ~ 100 Гс или регистрации ее потока по Л = jiSm = eNeVSm в полях до