Применимость зондовых методик
В
зависимости от соотношения характерных
размеров зонда (например, радиус зонда
или его длина
)
и характерных масштабов плазмы (длины
свободного пробега электронов
и ионов
,
длины
релаксации энергии электронов
и ионов
,
дебаевского радиуса экранирования
,
толщины слоя пространственного заряда
у зонда
)
различают несколько режимов работы
зонда. При этом нужно учитывать, что
,
где
– средняя доля потери энергии электроном
в одном столкновении, в то время как для
ионов
и
.
При
реализуются условия бесстолкновительного
слоя. Это
определяет понятие так называемого
ленгмюровского
зонда и
позволяют дать относительно простое
количественное
описание электронной и ионной частей
ВАХ. При этом предполагают, что:
в области плазмы можно пренебречь объемным зарядом частиц;
в невозмущенной плазме электроны имеют максвелловское распределение по скоростям;
возле зонда образуется слой пространственного заряда, который локализует поле зонда и препятствует его проникновению в невозмущенную плазму;
в области слоя пространственного заряда частицы совершают бесстолкновительное движение;
в области слоя при отрицательном потенциале зонда можно пренебречь объемным зарядом электронов;
образованием ионов и вторично-эмиссионными процессами в области слоя можно пренебречь;
на внешней границе слоя потенциал равен нулю.
Введение
зонда в плазму ведет к ее возмущению.
Важно, чтобы возмущения, вносимые зондом
в плазму, были минимальны. Критерий
малости возмущений плазмы зондом:
,
где
– характерный размер зонда, а
– минимальная
длина свободного пробега заряженной
частицы. Таким образом, для зондов
Ленгмюра должно выполняться условие:
. (1)
Для
оценки области применимости зонда
Ленгмюра по давлению газа
будем исходить из того, что типичный
размер зонда
,
длины свободного
пробега электронов и ионов имеют порядок
и
(давление
выражено в торах), а дебаевский радиус
экранирования
описывается выражением:
. (2)
Температура
электронов является консервативной
величиной и, как правило,
составляет единицы электронвольт.
Поэтому
главным образом определяется
концентрацией электронов и при типичных
значениях
лежит в диапазоне
,
т. е. имеет порядок радиуса
зонда и меньше. Таким
образом, приближенно область применимости
ленгмюровского зонда соответствует
давлениям
газа
Тор.
Аналогично
учитывается влияние магнитного поля:
вводятся ларморовские радиусы
зарядов и сравнивают с
,
,
.
. (3)
Здесь
– скорость света,
– магнитное поле,
– температура
заряженной частицы,
– её масса. Необходимо отметить, что
под
подразумевается средний ларморовский
радиус группы частицы.
При
оценке влияния магнитного поля на
зондовую характеристику решающим
фактором является отношение ларморовского
радиуса заряженных частиц к радиусу
зонда
.
Если для электронов и ионов
,
то магнитное поле считают слабым, в том
смысле, что оно слабо влияет на зондовую
характеристику. В умеренных магнитных
полях для ионов
,
а для электронов
,
т. е. магнитное поле оказывает влияние
только на электронную составляющую
зондовой характеристики. При выполнении
условия для всех заряженных частиц
магнитные поля считают сильными.
Практика
показала, что для случая слабых и
умеренных магнитных полей влиянием
магнитного поля на ионную часть ВАХ
можно пренебречь, тогда обработка и
интерпретация данных производится в
соответствии с уже имеющимися моделями
работы зонда в плазме без магнитного
поля.
также можно оценивать стандартными
методами из переходного участка ВАХ,
учитывая, что измеряемая таким способом
температура есть
вдоль магнитных силовых линий. В сильных
магнитных полях зондовые методы не
применимы.