Исследование газоразрядной плазмы методом зондов / Плазма8

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

«Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

“ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

Кафедра электронных приборов и устройств

Отчет

по лабораторной работе № 8

исследование газоразрядной плазмы методом зондов

Выполнила студентка группы 6213: Козлова Ю.В.

Проверил: Марцынюков С.А.

Санкт-Петербург

2008

Цель работы: ознакомление с зондовой методикой диагностики газоразрядной плазмы и экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления.

Основные теоретические положения:

Газоразрядная плазма представляет собой высоко ионизованный газ (10⁹—10¹² пар ионов на 1 см³), в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой и хаотическое движение частиц преобладает над их направленным движением.

Различают два вида плазмы — изотермическую и газоразрядную.

Изотермическая плазма в чистом виде наблюдается лишь в об­ласти высоких температур (атмосфера звезд, солнца, термоядерные реакции и т. д.). Она возникает и поддерживается за счет терми­ческой ионизации газа. Такая плазма находится в состоянии термо­динамического равновесия, т. к. средняя кинетическая энергия всех составляющих плазму частиц—положительных и отрицательных ионов, электронов, нейтральных и возбужденных частиц—одина­кова и соответствует температуре окружающего пространства.

В газоразрядной плазме, имеющей место в ионных приборах, заряженные частицы приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтрального газа, за счет ускорения в электрическом поле.

Такая плазма является термически неравновесной вследствие того, что в стационарном режиме средняя скорость (и средняя энергия) теплового движения заряженных частиц, получающих до­полнительное ускорение в электрическом поле, оказывается больше средней скорости нейтральных частиц газа.

Энергия теплового движения положительных и отрицательных ионов, обладающих массой, близкой к массе нейтральной частицы, сравнительно невелика вследствие заметного обмена энергиями при соударениях с нейтральными частицами газа. Энергия электронов, обладающих ничтожно малой массой, оказывается во мне¹;» раз больше энергии нейтральных частиц газа, поскольку электроны' практически не теряют энергии при упругих соударениях, неупру­гие же соударения составляют ничтожную долю от общего числа соударений.

При наличии у электронов максвелловского распределения по скоростям, среднюю кинетическую энергию электронов в плазме можно характеризовать температурой Т.

Температура электронного газа оказывается много выше температуры нейтрального газа.

Температура электронного газа является основным внутренним параметром, характеризующим энергетическое состояние электро­нов в плазме. Кроме того, к параметрам плазмы относятся: плот­ности направленного ионного и электронного токов, продольная на­пряженность поля (Е_z) и распределение потенциала вдоль разряд­ного пространства.

Рис. 1 Схема лабораторной установки

Исследование проводилось для 2-го и 3-го зондов, расположенных вдоль газоразрядной трубки.

Рис. 2

где d=1mm, l=30mm, h2=20mm, h3=15 mm.

Обработка экспериментальных данных:

Таблица 1 Таблица 2

2-ой зонд: 3-ий зонд:

U2, B	Iз, mA	ln(Ie)
-29	-0,01
-26	-0,01
-22	-0,008
-20	-0,008
-18	-0,007
-15	-0,005
-14	0
-12	0,4
-11	1	0
-10	2,5	0,916
-8	8,8	2,175
-7	16	2,773
-6	16	2,773
-3	18	2,890
0	19	2,994

U3, B	Iз, mA	ln(Ie)
-29	-0,02
-26	-0,018
-22	-0,015
-20	-0,011
-18	-0,011
-17	-0,09
-15	0,2
-14	1	0
-12	7	1,946
-11	18	2,890
-10	22	3,091
-8	32	2,466
-7	37	3,661
-6	37	3,661
-3	37	3,661
0	38	3,638

Рис. 3

Рис 4

Рис.6

При наличии у электронов плазмы Максвелловского распределения по скоростям функция при напряжении на зонде меньше потенциала плазмы представляет собой прямую. Из графика зависимости можно определить

температуру электронного газа:

;

Для 2-ого зонда:

Для 3-ого зонда:

Потенциалы плазмы в местах нахождения зондов:

2-ой зонд - -7,8 В

3-ий зонд - -10,4 В

Продольный градиент поля:

Ez= (Uп1-Uп2)/L

Ez=(-7,8+10,4)/0,03 = 86,6 В/м

Концентрация заряженных частиц:

Для 2-ого зонда:

Для 3-ого зонда:

Вывод: в данной работе было проведено исследование газоразрядной плазмы методом зондов, построены вольтамперные характеристики вводимых зондов, с помощью которых определены основные параметры плазмы. Так параметры температуры электронного газа и концентрация заряженных частиц оказались примерно одинаковыми в разных точках положительного столба.

7