Лабораторные работы №1,2,3,4 / Зонды / Зонды

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский

государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

кафедра ЭПУ

Отчёт по лабораторной работе № 4.

Исследование газоразрядной плазмы методом зондов.

Работу выполнил

студент группы 0221

Голиков А.Н.

Преподаватель:

Черниговский В.В.

Санкт-Петербург

2002

Цель работы: Знакомство с методикой определения основных параметров плазмы. Экспериментальное определение основных параметров газоразрядной плазмы.

Введение

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.

Схема лабораторной установки для снятия зондовых характеристик изображена на рисунке слева. Исследование проводилось для 4х из 5 зондов, расположенных вдоль газоразрядной трубки.

где d=1mm, l=30mm, h=10mm

(значение h имеет большую погрешность)

Обработка экспериментальных данных

Зондовые характеристики. Ie находится вычетом максимального ионного тока из Iз

Ia=100mA
2й зонд
Uз,V	-20	-15	-14	-13	-12	-10	-9	-8	-7	-5	-4
Iз,mA	-0.011	-0.007	0.005	0.073	0.8	4.8	9	16	20	21	21
LN(Iе)			-11.04	-9.38	-7.12	-5.34	-4.71	-4.13	-3.91	-3.86	-3.86
3й зонд
Uз,V	-25	-23	-18	-17	-16	-15	-13	-11	-9	-7
Iз,mA	-0.011	-0.011	-0.005	0.02	0.122	0.8	7	20	28	28
LN(Iе)				-10.38	-8.93	-7.12	-4.96	-3.91	-3.58	-3.58
4й зонд
Uз,V	-25	-22	-20	-18	-17	-15	-13	-11	-9
Iз,mA	-0.011	-0.011	0.05	1.8	5	20	32	32	32
LN(Iе)			-9.70	-6.31	-5.30	-3.91	-3.44	-3.44	-3.44
5й зонд
Uз,V	-29	-26	-25	-23	-22	-21	-20	-19	-18	-16	-14	-10
Iз,mA	-0.011	-0.005	0.006	0.065	0.6	5	12	20	24	25	26	26
LN(Iе)			-10.98	-9.48	-7.40	-5.30	-4.42	-3.91	-3.73	-3.69	-3.65	-3.65

Ia=190mA
5й зонд
Uз,V	-29	-25	-24.5		-24		-23.5		-23.4		-23.2		-23		-21		-20		-19		-18		-17		-14		-12
I,mA	-0.02	-0.01	-0.006		0.003		0.01		0.015		0.025		0.035		1.8		5.2		12		28		40		44		44
LN(Iе)					-10.68		-10.41		-10.26		-10.01		-9.81		-6.31		-5.26		-4.42		-3.58		-3.22		-3.12		-3.12

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:

;

При Ia=100мА

Для 2-ого зонда:

Для 3-ого зонда:

Для 4-ого зонда:

Для 5-ого зонда:

При Ia=190мА для 5-ого зонда:

Потенциалы плазмы в местах нахождения зондов:

При Ia=100мА

2-ый зонд - ;

3-ый зонд - ;

4-ый зонд - ;

5-ый зонд - ;

При Ia=190мА 5-ый зонд -

Продольный градиент поля для Ia=100мА: E_z= 116.6 В/м

Для Ia=190мА продольный градиент получить невозможно ввиду того, что ВАХ снималась только для одного зонда. (Два пальца обоссать проще, чем получить этот ебаный градиент с одного зонда).

Концентрация заряженных частиц:

При Ia=100mA:

Для 2-ого зонда:

Для 3-ого зонда:

Для 4-ого зонда:

Для 5-ого зонда:

При Ia=190mA:

Для 5-ого зонда:

Параметр	Ia=100мА				Iа=190мА
	2й зонд	3й зонд	4й зонд	5й зонд	5й зонд
Температура электронного газа ,К	8285	8285	8722	9063	9431
Потенциал плазмы в месте нахождения зонда ,В	-8.8	-12.2	-15.4	-19.3	-18
Концентрация заряженных частиц /1019, м-3	3.606	3.8	4.53	3.63	6.6

Выводы:

1. Зондовые характеристики дают возможность определить основные параметры плазмы, но эти значения могут быть достаточно неточными, что связанно с трудностями в определении места излома зондовой характеристики.

2. Глубины погружения зондов в нашей экспериментальной установке были различными и известны лишь приближенно (~10mm). Это повлекло за собой ошибки в определении концентрации заряженных частиц.

3. Пользуясь полученными данными, можно сказать что плазма положительного столба тлеющего разряда неизотермична и слабоионизированна.

4. В ходе работы все поняли, что Черниговский – это лысая жопа.