Вакуумная и плазменная электроника.-6

ионов в плазме достаточно мала, превышение потенциалом зонда потенциала плазмы на 1 В обеспечит полное отражение всех ионов. Таким образом, и на правой ветви зондовой характеристики (рис. 3.2) будет наблюдаться насыщение тока, связанного с достижением плотности тока электронов из плазмы своего максимального значения.

Вычисление параметров плазмы по зондовой характеристике. Как уже отмечалось, по одной зондовой характеристике возможно определение всех основных параметров плазмы. Потенциал плазмы определится по перегибу на правой ветви зондовой характеристики (точка С на рис. 3.2). Для определения температуры электронов сначала необходимо вычесть измеренную на левой ветви величину ионного тока насыщения из полного тока зонда в области слева от точки С. Таким образом, получится зависимость электронного тока на зонд

Откуда следует, что зависимость ln Iез(θз) линейна. Таким образом, по уг-

лу наклона экспериментальной зависимости ln Iез(θз) можно определить темпе-

ратуру электронов как

Все вышеизложенное относится к идеальному зонду, помещенному в идеальную плазму. Однако в реальных системах достижение участков с насы-

щением, особенно на электронной ветви зондовой характеристики, весьма за-

труднительно. Одна из основных причин отсутствия явно выраженного насы-

щения тока обусловлена влиянием краевых эффектов, которые связаны с рас-

ширением собирающей поверхности плазмы на краях зонда при увеличении его потенциала. Ослабить этот эффект можно увеличением размеров зонда, однако при этом возрастает влияние зонда на параметры плазмы.

153

Зонд с охранным кольцом. Для снижения краевого эффекта используют зонд с охранным кольцом (рис. 3.3). В этом устройстве собирающая поверх-

ность зонда разделена на две части: центральный круг и периферийное кольцо.

плазма

слой

к источнику питания

Рис. 3.3 Схема зонда с охранным кольцом

Обе части зонда электрически разделены между собой, но имеют одинаковый потенциал. Это делает возможным отдельное измерение тока на каждую часть зонда. При снятии вольт-амперной характеристики зонда ток на центральную часть принимается с неизменной поверхности плазмы, а увеличение тока за счет роста собирающей поверхности плазмы имеет место лишь на периферий-

ной кольцевой части зонда. Таким образом, благодаря неизменной собирающей поверхности, зондовая характеристика центральной части имеет резко выра-

женные участки насыщения как на ионной, так и на электронной ветвях.

Эмиссионный зонд

Эмиссионный зонд – зонд, нагретый до температуры, при которой на-

блюдается интенсивная термоэлектронная эмиссия с его поверхности. Он пред-

назначен в основном для измерения потенциала плазмы и используется в слу-

чаях, когда не удается достигнуть насыщения на электронной ветви зондовой характеристики. Достоинством такого зонда является возможность измерений в присутствии в плазме магнитного поля или потоков заряженных частиц, иска-

154

жающих обычную характеристику одиночного ленгмюровского зонда. К ос-

новному недостатку эмиссионного зонда следует отнести большее возмущение,

вносимое в плазму за счет эмиссии электронов.

Конструктивно зонд выполнен в форме «дамс-кой шпильки» (рис. 3.4) из вольфрамовой проволоки толщиной 10–40 мкм. Проволока закреплена на мед-

ных держателях, помещен-ных в керамическую трубку, которая прикрыта сна-

ружи металлическим экраном.

зонд слой

керамика

Рис. 3.4 Эмиссионный зонд и схема измерений методом «плавающего» потенциала

Возможны два способа определения потенциала плазмы с помощью эмиссионного зонда: по расходимости зондовых характеристик, а также в ре-

жиме «плавания» зонда. В первом случае зонд подключается так же, как и обычный ленгмюровский зонд (см. рис. 3.1) с добавлением источника питания накала. Напряжение накала выбирается таким, чтобы зонд обеспечивал эмисси-

онный ток, равный или больший электронного тока насыщения из плазмы. Если потенциал зонда превышает потенциал плазмы, то эмитированные зондом электроны не могут преодолеть потенциальный барьер и, следовательно, они возвращаются на зонд, не внося вклад в ток зонда. Поэтому при θз > θп харак-

теристики зондов, холодного и нагретого до эмиссионной температуры, совпа-

дают (рис. 3.5). Если θз < θп, то эмитированные зондом электроны уходят в плазму, уменьшая тем самым общий ток зонда. При этом условии характери-

стики нагретого и холодного зонда существенно расходятся. Действительно,

поскольку температура термоэлектронов составляет в энергетических единицах

155

доли электрон-вольта, то уже небольшое отрицательное смещение зонда отно-

сительно потенциала плазмы обеспечит резкое возрастание тока термоэлектро-

нов, покидающих накаленный зонд и уходящих в плазму. Общий ток накален-

ного зонда резко снижается. Для холодного зонда изменение тока на зонд осу-

ществляется в этом случае только за счет электронов из плазмы, а поскольку их температура намного выше, чем температура термоэлектронов, то для сущест-

венного изменения тока необходимы гораздо большие смещения потенциала зонда. Таким образом, точка расхождения характеристик нагретого и холодного зондов (рис. 3.5) и есть потенциал плазмы. Неточность определения потенциала плазмы имеет порядок нескольких температур термоэлектронов и, с этой точки зрения, не должна превышать 1 В. Однако в реальной ситуации она немного выше из-за падения напряжения накала по длине зонда, которое может дости-

гать нескольких вольт.

Iз

1

2

Рис. 3.5 Зондовые характеристики холодного (1)

и эмиссионного (2) зондов

Схема соединений эмиссионного зонда для измерений в режиме «плава-

ния» показана на рис. 3.4. Зонд изолирован от опорного электрода, и для изме-

рения наводимого на зонд потенциала «плавания» обычно используется вольт-

метр с высоким внутренним сопротивлением (10 МОм и более). При измерении этим методом снимается зависимость «плавающего» потенциала зонда от на-

156

Двойной зонд

В ряде экспериментальных ситуаций применение одиночного зонда дает неудовлетворительные результаты. Это относится к тем случаям, когда отсут-

ствует опорный электрод или потенциал плазмы не вполне определен. Для из-

мерений параметров плазмы в этих условиях используют двойной зонд. Конст-

руктивно двойной зонд представляет собой два идентичных по разме-

рам ленгмюровских зонда, присоединенных к разным полюсам одного источ-

ника питания (рис. 3.7).

Ud плазма слой

Id

зонд 2

Рис. 3.7 Схема подключения двойного зонда

Токи на каждый из зондов определяются соотношениями, аналогичными для одиночных зондов. Особенностью такой системы является тот факт, что зонды связаны между собой одной электрической цепью и, следовательно, токи, про-

текающие в этих зондах, должны быть равны по величине и противоположны по направлению.

Таким образом, электронный и ионный компоненты тока на каждый из