МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В. Н. Каразина

Исследование разряда Пеннинга с помощью одиночного и двойного зондов

Методические указания к лабораторным работам

Харьков – 2013

УДК 533.9.08(075.8)

ББК 22.333я73

С 32

Рецензенты:

В. М. Куклин – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой искусственного интеллекта и программного обеспечения факультета компьютерных наук Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина;

В. А. Лисовский – доктор физико-математических наук, профессор кафедры материалов реакторостроения и физических технологий физико-технического факультета Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина.

Утверждено к печати решением Научно-методического совета

Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина

(протокол № от апреля 2013 г.)

С

C 32

ереда И. Н., Целуйко А. Ф. Исследование разряда Пеннинга с помощью одиночного и двойного зондов : методические указания к лабораторным работам [для студентов физико-технического факультета]. – Х. : ХНУ имени В. Н. Каразина, 2013. – 30 с.

Предлагаемая задача посвящена одному из классических методов исследования газоразрядной слабоионизованной плазмы низкого давления – методу электрических зондов. В процессе ее выполнения студент знакомится с аппаратурой и обоснованием метода, получает и анализирует экспериментальные результаты, на базе которых определяет основные параметры плазмы разряда Пеннинга в зависимости от разрядного тока, напряженности магнитного поля и давления.

УДК 533.9.08(075.8)

ББК 22.333я73

© Харьковский национальный университет

имени В. Н. Каразина, 2013

© Середа И. Н., 2013

© Дончик И. Н., макет обложки, 2013

Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..4

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ……………….…..6

3. ОСНОВЫ ЗОНДОВОГО МЕТОДА…………………………………...…..…10

4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ОДИНОЧНЫМ ЗОНДОМ….....19

5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ДВОЙНЫМ ЗОНДОМ………...23

6. РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА………………………..…….…......29

1. Введение

Электрическим зондом называется электрод малых размеров, помещенный в плазму и используемый для определения ее локальных характеристик. Напряжение на зонд подается относительно опорного электрода, который, как правило, находится под потенциалом земли. Опорным электродом может быть анод или катод разрядной трубки, металлическая стенка разрядной камеры или специально введенный дополнительный электрод. Конструкция и условия работы зонда рассчитаны на то, что в нем под воздействием плазмы генерируется вторичный сигнал, несущий искомую информацию об объекте. Измеряется именно вторичный сигнал, а информацию о соответствующих параметрах получают отсюда на основе модели работы зонда данного типа. Следовательно, достоверность и точность информации зависят от адекватности используемой модели. Разработка моделей для разных типов зондов и разных условий работы активно продолжается. Главное преимущество зондовых контактных методов – локальность измерений, главный недостаток – возмущение плазмы. Зонд применим, если обусловленное им возмущение достаточно слабо или может быть адекватно учтено и выделен сигнал, отвечающий невозмущенной плазме.

Именно локальность измеряемых характеристик является главным и неоспоримым достоинством зондового метода. Другим его преимуществом является простота используемой аппаратуры, что позволяет быстро и без высоких затрат получить результат. И, наконец, число измеряемых параметров и диапазоны их измерений столь велики, что не имеют аналогов среди других методов диагностики. Например, по давлению область применения зондов простирается от 10^–5 до 10³ Тор при концентрации заряженных частиц – от 10⁷ до 10¹⁵ см^-3. Сумма этих качеств обеспечивает востребованность метода с начала изучения газоразрядной плазмы по настоящее время.

Однако при всей своей простоте теория их очень сложна. Трудности обусловлены тем, что зонды служат границей плазмы, а вблизи границ уравнения движения плазмы меняют свой вид. В частности, условие квазинейтральности плазмы не выполняется вблизи границы; там возникают объемные слои пространственного заряда и, следовательно, могут существовать большие электрические поля. Достаточно строгое описание возможно только для бесстолкновительной плазмы в отсутствие магнитного поля. В других режимах физика взаимодействия плазмы с зондом меняется и здесь уже приходится пользоваться феноменологическими моделями, основанными, тем не менее, на точных теориях.

Ниже рассмотрен классический случай применения зонда в слабоионизованной плазме разряда Пеннинга. Особенностью такой плазмы является сильная замагниченность электронов наряду с ВЧ колебаниями потенциала пространства, обусловленными раскачкой неустойчивостей в анодном слое, что несколько затрудняет проведение и интерпретацию измерений. Тем не менее, в процессе выполнения работы студент знакомится с аппаратурой и обоснованием метода, получает и анализирует экспериментальные результаты, на базе которых определяет основные параметры плазмы разряда Пеннинга.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка состоит из системы разрядных электродов, вакуумной камеры, системы создания магнитного поля, вакуумного поста, системы электропитания, систем контроля вакуума и напуска рабочего газа, а также диагностической аппаратуры. Структурная схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Система электродов расположена внутри заземленной вакуумной камеры, изготовленной из нержавеющей стали с внутренним диаметром 125 мм, являющейся одновременно электростатическим экраном. Внутри установлен стеклянный цилиндр с внутренним диаметром 80 мм и длинной 370 мм, который служит для дополнительного увеличения электрической прочности изоляции электродов разряда.

Для создания в вакуумной камере требуемого давления применяются стандартные вакуумные насосы, включающие в себя диффузионный насос типа НВДМ – 160 производительностью 800 л/с и форвакуумный насос типа НВР-5Д производительностью 5,5 л/с. Остаточное давление в вакуумной камере не превышает 3·10^-6 Тор.

Подача различных рабочих газов в вакуумную камеру осуществляется через игольчатый натекатель с микрометрическим приводом. Относительное давление рабочего газа P = P_абс C измеряется в рабочей камере вакуумметром и регулируется с помощью изменения скоростей газопотока или откачки, где P_абс – действительное давление газа, С – относительная чувствительность вакуумметров к данному сорту газа. В диапазонах 10^-6 – 10^-3 Тор. давление рабочего газа измеряется ионизационным датчиком ПМИ - 2, а в диапазоне 10^-3 – 10^-2 Тор. – термопарным датчиком ПМТ - 2.

Для создания регулируемого по величине стационарного магнитного поля в разрядной камере используется магнитная система, состоящая из набора катушек с внутренним диаметром 150 мм и толщиной 30 – 40 мм. Расстояние между катушками выбиралось таким, чтобы продольная неоднородность поля не превышала 2 %. Во избежание концевых эффектов длина магнитной системы значительно превышает длину разрядного промежутка. Блоки катушек юстировались соосно с электродами в разрядной камере. Диапазон изменения напряженности магнитного поля по оси системы составляет 0 – 1 кЭ. Для питания соленоидов магнитной системы используется источник постоянного тока с коэффициентом пульсации 0,01 %. Система электропитания газового разряда обеспечивает диапазон разрядных токов от 100 мкА до 100 мА, при падении напряжения на разряде до 5 кВ.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

1 – вакуумная камера; 2 – стеклянный цилиндр; 3 – система электродов разряда; 4 – катушки соленоидов магнитного поля; 5 – ионизационный манометрический преобразователь; 6 – термопарный манометрический преобразователь; 7 – ионизационно-термопарный вакуумметр.

В качестве диагностических методов предлагаются зондовые методики, поскольку они обеспечивают необходимую локальность измерений.

Конструкции электрических зондов приведены на рис. 2. Электроды зондов изготовлены из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3 мм, длина рабочей части электродов – 4 мм, площадь рабочей поверхности – 4,78·10^-2 см². Вся поверхность электродов, за исключением рабочей части, помещалась в керамический изолятор.

Рис. 2. Конструкции электрических зондов

а – одиночный цилиндрический зонд; б – двойной зонд; 1 – экран; 2 – изолятор; 3 – электрод.

Рис. 3. Схема включения электрических зондов

Зонды располагаются на половине расстояния анод-катод. Оси цилиндрических электродов зонда ориентированы перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Схема зондовых измерений (рис. 4) позволяет снимать вольтамперные характеристики зондов, как по точкам, так и с помощью двухкоординатного планшетного потенциометра типа ПДА-1.

В присутствии интенсивных колебаний вольтамперная характеристика зонда может искажаться, если амплитуда колебаний больше или равна kT_e, а электронный ток успевает установиться за период колебаний. С целью уменьшения этого эффекта в цепь зонда включался конденсатор. В этом случае зонд становится «плавающим» по высокой частоте и влияние колебаний на усредненную по времени ВАХ уменьшается. В некоторых случаях более точные значения электронной температуры определяются методом двойных зондов.

Базовая схема электродов разряда представлена на рис. 4. Система электродов крепится внутри кварцевого цилиндра (1) с внутренним диаметром 40 мм и длиной 160 мм. Анод газоразрядной системы (2) изготовлен из нержавеющей стали и представляет собой цилиндр диаметром 37 мм и длиной 30 мм. Плоские отражательные электроды (4) диаметром 20 мм и толщиной 5 мм изготовлены из меди и крепятся внутри цилиндров из нержавеющей стали (3).

Рис. 4. Схема разряда Пеннинга

1 – кварцевый цилиндр; 2 – анод; 3 – цилиндрические катоды; 4 – катоды из меди; 5 – система электрических зондов.

Катоды разряда находятся под потенциалом земли, а на анод подается положительное напряжение.