3. Зондовый метод измерения параметров плазмы

Одним из распространённых методов измерения параметров плазмы является метод зондовых характеристик. В разряд вводится ещё один электрод – зонд, размеры которого малы по сравнению с изучаемой областью плазмы. Зонду обычно придаётся форма шара (сферический зонд), цилиндра (цилиндрический зонд) или диска (плоский зонд).

Суть метода зондовых измерений заключается в измерении тока заряженных частиц на зонд, помещённый в плазму. Зависимость этого тока от потенциала зонда называется зондовой характеристикой.

Схема измерения зондовой характеристики и общий вид получаемой таким образом зависимости приведены на рис.10.4.

Между зондом и одним из электродов (чаще всего анодом) включается регулируемый источник напряжения и снимается зависимость тока в цепи зонда J₃ от приложенного напряжения U₃. Большому отрицательному потенциалу зонда соответствует ионный ток на зонд (участок АВ). По мере уменьшения отрицательного потенциала зонда по отношению к плазме на него начинают попадать в заметном количестве электроны, и общий ток зонда, который представляет сумму электронного и ионного токов, уменьшается. В точке С электронный ток на зонд равен ионному. На участке СД электронный ток быстро нарастает, достигая насыщения на участке ДЕ.

Наиболее просто получить информацию, анализируя зависимость электронного тока i_е на зонд, которую мы можем получить вычитая из общего тока зонда ток ионов (считаем зависимость ионного тока от потенциала зонда линейной). Рассчитаем электронный ток на зонд при отрицательных потенциалах зонда по отношению к плазме.

В этом случае окрестности зонда будут обеднены электронами, концентрацию которых можно найти по формуле Больцмана

, (10.2)

где n₀ – концентрация электронов в невозмущённой плазме, Т_е – температура электронов. Плотность электронного тока на зонд тогда будет равна:

(10.3)

где i₀ – плотность электронного тока на зонд при потенциале зонда, равном потенциалу плазмы, т.е. при U=0. Эта величина определяется тепловым движением электронов и равна:

(10.4)

Откуда концентрация плазмыn₀ может быть вычислена по формуле:

(10.5)

Температура электронов определяется следующим образом. Прологарифмируем равенство (10.3):

(10.6)

Как видно из (10.6), зависимость между lni₀ и потенциалом зонда представляет пряную линию (участок АВ рис.10.5).

Угол наклона прямолинейного участка зондовой характеристики, построенной в логарифмическом масштабе определяется величиной T_e.

Таким образом, для определения температуры электронов получаем следующую формулу:

Рис.10.5. Зондовая характеристика с логарифмическим масштабом тока

(10.7)

Величина i₀, необходимая для вычисления концентрации плазмы, определяется из графика lni_e=f(U₃). Нарушение линейности этой зависимости происходит в точке, в которой потенциал зонда становится равным потенциалу плазмы (точка U0 на рис.10.5). В этой точке i_e=i₀. Таким образом, используя зондовую характеристику, можно определить потенциал плазмы, температуру электронов и концентрацию плазмы.

4. Методические указания

В работе используется разрядная трубка, наполненная неоном при давлении около 1мм рт.ст. Схема измерения характеристик тлеющего разряда и параметров плазмы приведена на рис.10.6.

Р

Рис.10.6. Схема измерения характеристик тлеющего разряда

азрядная трубка помещена в кожух,, который имеет щель дляизмерения интенсивности свечения разряда. Интенсивность свечения измеряется фотоумножителем, заключённым в один корпус с блоком питания. Разряд питается от выпрямителя на 600В через два балластных резистора R₁ и R₂, один из, которых является регулируемым, что позволяет изменять ток разряда. Зажигание разряда осуществляется включением тумблера на блоке питания. Напряжение в зондовой цепи регулируется двумя потенциометрами, (грубо и плавно). Ток зонда измеряется многошкальным микроамперметром, полярность включения которого изменяется с помощью переключателя П. В связи с тем, что ток в цепи одиночного зонда в зависимости от напряжения на нём изменяется на несколько порядков, при выполнении работы следует соблюдать следующие правила.

1. Включение схемы производить, установив микроамперметр в зондовой цепи на самый грубый предел.

2. Зажигание разряда и регулировку разрядного тока производить только после того, как на зонд подано напряжение не менее 150-200В.

При снятии зондовых характеристик следует помнить, что наиболее важной частью характеристики является участок в пределах 10-15В вблизи точки перехода зондового тока через нуль. Поэтому в этой области замеры тока зонда следует производить не реже, чем через 1-2В напряжения на зонде.