3. Электронный и ионный токи на зонд.

Если зонд заряжается отрицательно, то электроны плазмы будут находиться в отталкивающем поле. Как известно из статистической физики, при равновесном (максвелловском) распределении частиц по энергии в силовом поле устанавливается больцмановское распределение:

и хаотический электронный ток на зонд будет равен .

Здесь - средняя тепловая скорость электрона, - концентрация электронов в невозмущенной плазме, - потенциал зонда относительно плазмы.

Когда потенциал зонда равен потенциалу плазмы, экспоненциальный множитель обращается в единицу и достигается так называемый ток насыщения:

При положительном потенциале зонда электронный ток может увеличиваться только за счет увеличения собирающей поверхности зонда, так как теперь вокруг зонда образуется слой отрицательно заряженных частиц, в котором они ускоряются электрическим полем, и большинство электронов, хаотически попадают в этот слой и на зонд. Ионным же током при положительном потенциале зонда можно пренебречь, так как ионы при малой энергии практически все отталкиваются зондом.

При отрицательном потенциале зонда ионы притягиваются зондом и образуют около него слой положительного заряда. Однако при условии ионный ток превышает хаотический ток на зонд вследствие проникновения электрического поля величиной порядка в плазму. Действительно, так как в плазме сохраняется квазинейтральность, то

,

при этом в электрическом поле ионы приобретают кинетическую энергию , отсюда и ионы, попадающие в слой, практически все захватываются зондом.

Для ионного тока на зонд получим:

Это выражение малочувствительно к выбору потенциала слоя, когда он порядка _{. Как показал Д.Бом}

.

Поверхность слоя будет известна, когда по закону «3/2» будет найдена толщина или радиус слоя.

4. Обработка зондовой характеристики.

Рис.1

Рис.2

Вид зондовой характеристики в обычном и полулогарифмическом масштабе показан на Рис. 1, 2. При больших отрицательных потенциалах зонда электронный ток на него экспоненциально мал, поэтому весь зондовый переносится ионами (участок AB). Этот участок не имеет строгого насыщения из-за роста толщины слоя. При уменьшении напряжения на ионный ток накладывается возрастающий электронный ток быстрых элетронов. Тогда точка N при определяет потенциал изолированного зонда . Подставляя значения электронного и ионного токов, получим

Таким образом можно найти потенциал плазмы даже если зондовая характеристика не снималась до точки излома. На участке CD потенциал сравним по величине с электронной температурой, поэтому электронный ток здесь уже немного превосходит ионный. Когда потенциал зонда становится положительным (относительно плазмы), зависимость тока электронов от напряжения изменяется, появляется излом характеристики вблизи потенциала плазмы, особенно заметный в полулогарифмическом масштабе.

Электронная температура определяется по участку CD. Для этого из полного зондового тока вычитается (абсолютные величины складываются) экстраполированный ионный ток (прямая BM) и строится график электронного тока в полулогарифмическом масштабе по кривой DN. Электронная температура определяется по наклону характеристики.

,

,

Если по оси ординат откладывать десятичный логарифм тока в амперах, а по оси абсцисс общее напряжение в вольтах, то тогда

Наличие прямолинейного участка на границе в области CD свидетельствует о том, что распределение электронов по скоростям является максвелловским.

Если функция распределения электронов по скоростям отлична от максвелловской, то ее можно определить, измерив вторую производную электронного тока на зонд.

Концентрация электронов чаще всего определяется по участку AB насыщения ионного тока на зонд при , так как работа на участке электронного тока насыщения может привести к распылению зонда большим электронным током. Выбрав какую либо точку на участке AB, сначала определяется радиус и поверхность слоя. При этом в закон «3/2» вместо величины подставляется значение , то есть потенциал зонда относительно плазмы, а при отсутствии на характеристике точки E для разрядов в воздухе можно принять

При большой концентрации плазмы толщина слоя мала и за поверхность слоя можно принять поверхность зонда. При этом участок AB должен быть параллелен оси абсцисс.

Концентрация электронов в плазме определяется из формулы Бома

, где A – атомный или молекулярный вес

Следует отметить, что рассмотренная выше методика обработки зондовой характеристики применима только в условиях плазмы низкого давления и . В противном случае обработка зондовой характеристики значительно усложняется. Преимуществом зондового метода диагностики плазмы является его простота и возможность определения локальных параметров плазмы. Недостатком является возмущение плазмы зондом и узость области применения.

5. Описание установки и порядок выполнения работы.

Схема установки приведена на Рис. 3. В трубку введены четыре зонда радиусом 0.4 мм и длиной 0.8 мм. Три зонда находятся в одном сечении трубки на расстояниях от оси соответственно 10, 6 и 0 мм. Четвертый расположен по оси трубки на расстоянии 6 см от первых зондов.

Рис.3. Схема установки

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с техническим описанием приборов.

2. Переключатель П поставить в положение – Выкл.

3. Ключом К подается сетевое напряжение на высоковольтный блок 1. На разрядную трубку подается высокое напряжение 1.5 кВ (разряд загорается).

4. С помощью переключателя К и реостата установить необходимый ток через разрядную трубку ( I ), до 40 мА. Разрядный ток измеряется миллиамперметром 2.

5. Для снятия зондовой характеристики между зондом и анодом трубки подать начальное напряжение -60 В от источника питания 3 (ТЕС-9). Величина напряжения более точно измеряется вольтметром 4.

6. Поставить микроамперметр 5 на самый грубый предел.

7. переключателем П подключаем зонд 1.

8. Измеряем ток на зонд микроамперметром 5 при различных напряжениях между анодом и зондом. Во избежание переброса разряда на зонд снятие зондовой характеристики не проводить при электронных токах больших 2 мА.

9. Операции 6-8 повторить для всех зондов.

10. Зондовая характеристика снимается в области малых изменений зондовых токов с шагом 5 В, а в области резкого изменения шагом 0.5 В.

11. По окончании работы сетевые тумблеры всех приборов поставить в положение «Выкл».