МИНОБРНАУКИ РОССИИ
«Челябинский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ЧелГУ»)
Физический факультет Кафедра радиофизики и электроники
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ ЗОНДОВЫМ МЕТОДОМ
ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ
Харьков К.В.
Академическая группа ФФ-304 Курс 1
ПРОВЕРИЛ
Чернов В.М
Челябинск
2022
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: знакомство с зондовым методом определения параметров плазмы и определение основных параметров газоразрядной плазмы.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: лабораторная установка с тиратроном Т3-0,1/1,3,
источник анодного напряжения Б5-50, источник напряжения для зонда Б5-47, источник напряжения накала Б5-47, вольтметр В7-38 для измерения анодного напряжения,
универсальный вольтметр В7-21А для измерения тока зонда.
ВВЕДЕНИЕ
Плазмой называется высокоионизованный газ, содержащий в единице объема равное число положительных и отрицательных зарядов. Для однократно ионизованных газов
концентрация ионов равна концентрации электронов: ne ni .
Возможны три вида плазмы.
1.Ионизация происходит в основном при соударениях ускоренных внешним полем электронов с нейтральными частицами. Такая плазма называется газоразрядной.
2.Газ находится при температуре, достаточно высокой для усиленной термической ионизации. Он ионизируется вследствие соударений между собой частиц газа, имеющих достаточно большую скорость. Если при этом средние энергии каждой компоненты плазмы
(электронов, ионов, нейтральных частиц) одинаковы, т.е. все они обладают одной и той же температурой, то плазму называют изотермической.
3. Ионизация нейтральных частиц газа совершается в основном при поглощении ими
световых квантов (плазма ионосферных слоев)
Газоразрядная плазма при максвелловском распределении имеет разные температуры
ионов T |
и электронов T |
. Температура T |
ионов близка к температуре газа. Температура |
i |
e |
i |
|
же электронов намного выше.
Средней кинетической энергии электронов в плазме сопоставляют температуру Te
, определяемую из равенства
3 |
kT |
|
mve2 |
,где v 2 |
средний квадрат скорости теплового движения электронов |
|
|
||||
2 |
e |
2 |
e |
|
|
|
|
|
|||
Основными параметрами плазмы являются:
, а также
ne
,
Te
, степень ионизации
n |
/ n |
e |
0 |
электронная плазменная частота P=
2 |
n |
|
|
e |
|
|
|
|
|
e |
|
|
m |
e |
|
0 |
|
|
|
и дебаевский радиус экранирования D=
|
0 |
kT |
||
|
|
e |
||
e |
2 |
n |
||
|
|
|||
|
|
|
|
e |
Электронная плазменная частота – это характеристическая частота плазмы. Как только газ электронов незначительно смещается по отношению к газу ионов, газ электронов начинает колебаться с данной характеристической частотой под действием возвращающей кулоновской силы. Электромагнитная волна может распространяться через плазму только в том случае, если частота волны больше плазменной частоты.
Дебаевский радиус представляет собой максимальное значение пространственного разделения зарядов, которое может достигаться при тепловом движении частиц ( расстояние, на котором плазма экранирует себя от локального избытка заряда – потенциал от локального избытка заряда будет меньше в 1/e раз на расстоянии D.) Зонд помещается в исследуемое место плазмы. Каждая точка плазмы имеет свой потенциал относительно анода. На зонд подается отрицательный по отношению к аноду потенциал и
измеряется |
ток |
I з
в |
цепи |
зонда. |
Рис.1. Схема включения зонда |
Рис.2. Зондовая характеристика |
|
Можно считать, что электроны и ионы имеют максвелловское распределение по скоростям. Тогда полный ток на зонд, равный разности электронного и ионного, токов будет
I з 14 (ene ve eni vi )S , где S -площадь поверхности зонда.
При подаче на зонд отрицательного по отношению к плазме потенциала из плазмы на зонд течет ток, состоящий из электронов и ионов. В то время, как ионы будут ускоряться в призондовом слое, электроны будут тормозиться отрицательным полем призондового слоя. В этом случае ток на зонде равен ионному току и отрицательный. Такой режим соответствует участку AB зондовой характеристики (рис.2).Когда электронный ток становится соизмеримым с ионным током, вольтамперная характеристика начинает
изгибаться кверху. В точке K электронный ток на зонд равен ионному и общий ток равен нулю.
На участке КС электронный ток преобладает над ионным, и общий ток имеет направление, обратное прежнему. При максвелловском распределении электронов по энергиям, согласно теореме Больцмана, концентрация электронов в предзондовом слое вблизи поверхности зонда определяется соотношением
|
|
|
|
|
|
eU |
|
|
|
|
|
kT |
|
n |
|
n |
|
e |
|
|
e |
e0 |
|
e |
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
,
где
U /U з
U пл
/
;U
з
потенциал зонда относительно анода;
U пл
потенциал невозмущенной плазмы относительно анода.
На участке КС электронный ток намного больше ионного. Подставляя (2) в (1) и
пренебрегая ионным током, получаем ток на участке КС :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e /U з Uпл / |
|
||
I 1 en |
v |
e |
S |
1 ev |
e |
Sn |
e0 |
e |
|
|
|
kTe |
. |
||
4 |
e |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Средняя скорость электронов |
v |
e |
определится соотношением |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8kT |
|
v |
e |
|
e |
|
m |
||||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
e |
.
На участке CD призондовый слой перестает быть задерживающим и соотношение (3)
не выполняется.
В точке C загиба характеристики
U з
U пл
и ток зонда равен
I з
1 |
en |
v |
e |
S |
|
||||
4 |
e0 |
|
|
|
|
|
|
|
.
Логарифмируя формулу (3), получаем логарифмическую характеристику электронного
тока на зонд на участке КС: |
ln I |
з |
ln I |
з0 |
|
e |
U |
. |
|||
kT |
|||||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
Зависимость ln I |
з |
f (U ) представляется прямой линией с тангенсом угла наклона к |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
оси абсцисс, |
равным |
e |
. Из графика |
||
kT |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
e |
|
|
температура T |
|
по углу наклона. |
|||
e |
|
|
|
||
ln I |
з |
f (U ) |
|
|
вычисляется электронная
Метод зондовых характеристик позволяет проверить по ходу логарифмической
характеристики электронного тока на зонд, существует ли в условиях данного опыта
максвелловское распределение электронов по энергиям в плазме.
Определив Te , вычисляется скорость электронов ve и концентрация электронов ne0 в невозмущённой плазме.
