ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДОВ

Цель работы: Знакомство с экспериментальной методикой зондовой диагностики газоразрядной плазмы; экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления.

Общие сведения

Метод электрических зондов, разработанный в 1924 году Лекгмюром, позволяет измерять основные параметры плазмы: концентрацию я температуру частиц плазмы, потенциал пространства и градиент потенциала, направленную скорость заряженных частиц, функцию распределения электронов по скоростям.

Электрический зонд Ленгмюра представляет собой небольшое по сравнению с общим объемом плазмы металлическое тело, вводимое в плазму, на которое подается потенциал относительно опорного-электрода. Наиболее широко применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Параметры плазмы определяются по вольт-амперной характеристике зонда.

В наиболее простом виде теория метода зондов базируется на следующих допущениях:

1. Электроны в невозмущенной плазме имеют максвелловское распределение по скоростям.

2. В окрестности зонда, помещенного в плазме, образуется слой пространственного заряда, который экранирует действие зонда. Толщина слоя объемного заряда зависит от приложенного напряжения и имеет порядок нескольких (1..10) дебаевских радиусов R_D. Характерный размер зонда много больше слоя объемного заряда. Слой пространственного заряда считается бесстолкновительным.

3. Электроны, находящиеся в тормозящем поле слоя объемного заряда, распределены по закону Больцмана.

(1)

где n_eo- концентрация плазмы на границе сдоя; e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; T_e - электронная температура; U - потенциал пространства в слое; U_o - потенциал плазмы на границе слоя.

Рассматриваемая теория позволяет получить аналитические выражения для описания вольт-амперной характеристики зонда.

В общем случае ток в цепи зонда определяется суммой электронного i_e и ионного i_i токов

(2)

Если U₃ <<U_o , то практически все электроны отталкиваются от зонда и в его цепи течет ток равный току насыщения ионов на зонд, величина которого при T_e ≈ T_i - равна

(3)

где m_i - масса иона; S - собирающая площадь зонда и при T_e >> T_i

(4)

где α - безразмерный параметр (0,26…0,8), зависящий от геометрии зонда (цилиндрический зонд имеет 0,4).

При повышении потенциала в цепи зонда начинает возрастать электронный ток, величина которого в зависимости от потенциала зонда имеет вид

(5)

где m_е- масса электрона.

В силу того, что ионный и электронный токи в цепи зонда текут в противоположных направлениях, при некотором значении U , называемом потенциалом плавающей стенки Uпл , ток в цепи зонда обращается в нуль.

При выполнении условия U_пл ≤ U ≤ U_o вклад ионного тока в зондовый ток можно не учитывать, так как m_i >>m_e, а T_e >> T_i или T_e ≈ T_i, поэтому зондовый ток будет определяться выражением (5). В случае равенства потенциала зонда потенциалу плазмы на зонд потечет электронный ток насыщения из плазмы, так как тормозящее поле будет отсутствовать

(6)

Дальнейшее возрастание потенциала зонда уже не приводит к существенному росту i₃ , который может объясняться только увеличением собирающей поверхности зонда вследствие возрастания слоя объемного заряда d, величину которого при U > U_o можно определить из закона "степени 3/2" Лангмюра

(7)

рис.1

На рис. 1 представлены зондовые характеристики. Кривая I получена по упрощенной теории, а кривая 2 учитывает проникновение поля зонда в плазму.

Определение параметров плазмы

Определение электронной температуры.

По данным зондовой характеристики i₃=f(U₃) cтроится зависимость ln[i_e]=f(U₃), для чего из i₃ следует вычесть i_i . Из выражения (5) имеем

(8)

Отсюда электронная температура

(9)

Определение продольного градиента потенциала

Для определения продольного градиента потенциала необходимо в плазме иметь два зонда с известным расстоянием между ними l, тогда

(10)

где U₀₁, U₀₂ - потенциалы плазмы в месте установки первого и второго зондов.

Определеление направленной скорости электронов

Для определения направленной скорости электронов необходимо иметь поворотный зонд или два зонда ориентированных на 180°, тогда

(11)

где i_e1 - ток зонда ориентированного по дрейфовому току, а i_e2 - ток зонда повернутого на 180°. Вместо i_e1-i_e2 допустимо применять i₃₁-i₃₂ при U=U_o.

Методические указания к проведению лабораторной работы

Работа выполняется на стенде, блок схема которого приведена на рис. . Он включает в себя генератор плазмы низкого давления, в котором зажигается разряд с накаленным катодом в парах ртути. Электрическая схема состоит из блока накала катода БН, блока разрядного напряжения БРН, блока задания потенциала зонда , который можно подключать как к катоду, так и к аноду макета. В макете установлены цилиндрические и плоские зонды с охранными кольцами. С помощью переключателя S1 зонды поочередно подключаются к источнику смещения. В цепи зонда устанавливаются несколько однопредельных милли и микроамперметров, так как при снятии зондовых характеристик ток может изменяться на 5-4 порядка и, кроме того, менять направление. Ключи S2 и S3 служат для шунтирования чувствительных приборов при измерениях токов превышающих допустимые для них.

Перед выполнением работы следует ознакомиться с инструкцией по эксплуатации стенда и расположением органов управления.

Далее на стенде производится снятие вольтамперных характеристик всех зондов при нескольких значениях разрядных токов, согласованных с преподавателем.

На основании экспериментальных данных в соответствии с указаниями, приведенными в п.2, производится обработка вольт-амперных характеристик и определение параметров газоразрядной плазмы.

Содержание отчета

Отчет о проведенной работе должны быть выполнен в соответствии с требованиями к оформлению отчетов о научно-исследовательских работах или соответствующими требованиями к оформлению учебных документов и содержать: цель работы, схему экспериментального стенда, таблицы экспериментальных и рассчитанных данных, примеры зондовых характеристик и зависимости , выводы по проделанной работе.

Литература

1. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.:Атомиздат, 1969.

2. Специальный физический практикум, ч.2. Под ред. А.А.Харламова. М.: Изд-во Московского университета, 1977.