1. Зонд Ленгмюра

Зонд Ленгмюра — устройство, используемое для диагностики плазмы. Зондовый метод был впервые предложен Ирвингом Ленгмюром в 1923 году.

Этот метод основан на измерении плотности тока заряженных частиц на электрический проводник, помещенный в плазму в зависимости от его потенциала. Соответствующая кривая называется зондовой вольтамперной характеристикой. Для диагностики плазмы используется измерительная схема (рисунок 11).

Рисунок 11 – Измерительная схема

Измерительная система включает в себя измерительный зонд, опорный электрод – противозонд (в качестве него может выступать анод А или катод К), источник напряжения и питание разряда, которое осуществляется источником Б1.

Электрическим зондом называется металлический электрод небольших размеров, который вводится в исследуемую часть плазмы. Через источник напряжения зонд подсоединяют к опорному электроду, которым может быть анод или катод разрядной трубки, металлическая стенка разрядной камеры или специально введенный электрод [6]. Измерения заключаются в регистрации зондового тока в зависимости от величины приложенного напряжения, то есть определении зондовой вольтамперной характеристики (ВАХ). ВАХ позволяет определить локальные – в области нахождения зонда – параметры невозмущенной плазмы.Следовательно, зная параметры, можно управлять параметрами процесса: энергией бомбардировки, плотностью и другими.

Зонду придают различные значения потенциала, относительно опорного электрода. Погруженный в плазму, зонд окружается двойным электрическим слоем и ВАХ зонда является ВАХ слоя. Если размеры измерительного зонда много меньше размеров опорного электрода, ВАХ системы определяется слоем у измерительного зонда (рисунок 12).

Рисунок 12 – ВАХ в зависимости от формы

Проводящая часть зонда, находящаяся в плазме, может быть выполнена из любого металла. Выбор металла определяется прежде всего свойствами среды, в которую он помещен, и характеристиками изолятора, с которым он имеет механический контакт [10].

Зондовый метод является контактным методом диагностики (рисунок 13).

Рисунок 13 – Зондовая вольт-амперная характеристика

На (рисунке 13) U_sp – потенциал плазмы, U_fl – плавающий потенциал, U_з=U-U_sp –  потенциал измерительного зонда относительно плазмы. U_з > 0 – электронный ток насыщения, U_з≤0 – электронный ток на зонд, U_з < 0 – ионный ток насыщения. При U_з > 0 ВАХ зависит от формы зонда. Область I – электронного тока насыщения, II – суммарного тока электронов и ионов, III – ионного тока насыщения.

Когда на зонд подан положительный относительно плазмы потенциал (область I), ионы отталкиваются от зонда, а электроны притягиваются. Эффект аналогичен поляризации плазмы вокруг заряда и экранировке поля заряда в плазме. Электроны попадают из невозмущенной плазмы на внешнюю границу слоя, а потом и на зонд, благодаря тепловому движению, чем и определяется их поток. Рост тока обусловлен ростом собирающей поверхности слоя, которая слабо растет с ростом потенциала зонда. Если создать на зонде отрицательный относительно плазмы потенциал (область II), электроны будут отталкиваться от зонда, их ток будет резко падать по мере возрастания абсолютного значения потенциала, так как все меньшее число электронов будет обладать скоростями, достаточными для преодоления тормозящего поля зонда. При еще больших отрицательных потенциалах зонд отталкивает практически все электроны и притягивает ионы (область III). Зонд окружает слой положительного объемного заряда, который экранирует отрицательный потенциал. Ток на зонд является чисто ионным и определяется потоком ионов, попадающих на границу слоя из окружающей плазмы. Таким образом, особенностью ВАХ зонда в плазме является ее сложный, нелинейный характер, обусловленный различием движения в электрическом поле двух сортов заряженных частиц противоположного знака с существенно разными тепловыми скоростями [7].

У зонда ток зонда любой формы при отрицательных потенциалах U_з определяется из формулы (3).

Iз(Uз) = (eneveSзe((eU)/(kT)))/4

(3)

где v – средняя скорость электронов;

n_e – концентрация электронов;

S_e – площадь зонда;

T – температура электронов.

Это соотношение было получено Ирвингом Ленгмюром и Харольдом Мотт-Смитом в 1926 году и явилось основой зондового метода диагностики плазмы.

Плавающий потенциал — потенциал тела, помещённого в плазму, когда суммарный ток на него равен нулю. Он возникает, если на электрод течёт амбиполярный ток. Так как скорость электронов из-за малой массы больше скорости ионов, то электроны заряжают тело отрицательно по отношению к плазме.

Величина плавающего потенциала определяется из формулы (4).

~ (kTe/2e)ln(TeMi/Time)

(4)

где Т_е, Т_i - температуры электронов и ионов;

е – заряд.

Плавающий потенциал, обусловленный различием в скорости диффузии заряж. частиц, может возникать не только на теле, помещённом в плазму, но и в электролитах.

Самый общий подход к описанию тока на зонд основан на использовании функции распределения электронов по скоростям (ФРЭ) у поверхности зонда. При этом нужно связать ее с ФРЭ в невозмущенной плазме. Если плазма однородна и изотропна, то функция распределения зависит только от энергии электрона, то есть является функцией распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). В потенциальном поле изменение энергии не зависит от формы траектории. Если ФРЭЭ – максвелловская, то для электронного тока на зонд необходима формула (5).

(5)

То есть крутой части ВАХ соответствует экспоненциальное изменение электронного тока с потенциалом [11].