ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

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

Газоразрядная плазма – это ионизированный газ, в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой, а дебаевский радиус экранирования существенно меньше характерного размера объема, в котором находится ионизованный газ. Примером низкотемпературной плазмы является положительный столб тлеющего разряда и дуги низкого давления. Плазма положительного столба в осевом направлении однородна и стационарна во времени. Распределение электронов по скоростям является, как правило, максвелловским, при этом хаотическое движение частиц преобладает над их направленным движением. В газоразрядной плазме электроны и ионы приобретают энергию под действием продольного электрического поля, поэтому энергия электронов и ионов выше энергии нейтральных атомов. В свою очередь, энергия электронов много больше энергии ионов. Объясняется это тем, что электроны, приобретая энергию в электрическом поле, теряют ее в результате соударения с атомами. В слабоионизованной плазме преобладают упругие соударения электронов с атомами, при этом обмен энергией зависит от отношения массы электрона к массе атома. Поскольку это отношение гораздо меньше единицы, то потери энергии электронов при соударении с атомами весьма малы. Для ионов получается другая ситуация: масса ионов соизмерима с массой атома и при упругом соударении с ним ион может терять значительную часть своей энергии. Для максвелловского распределения по скоростям средняя энергия частиц характеризуется их температурой. В связи с этим в газоразрядной плазме температура электронов (T _e), температура ионов (T _i) и температура атомов (T _a) связаны следующим неравенством:

Основные параметры плазмы: концентрация, температура, потенциал пространства и градиент потенциала могут быть определены с помощью метода электрических зондов, разработанного Ленгмюром (1924).

Зонд – это вспомогательный металлический электрод, который вводится в плазменный объем для его исследования. Размеры зонда выбираются обычно достаточно малыми, чтобы можно было пренебречь падением потенциала вдоль зонда и искажениями поля, вносимыми зондом в исследуемый разряд. Применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Относительно одного из электродов на зонд задается потенциал и снимается зависимость поступающего тока от значения этого потенциала. Параметры плазмы определяются из вольт-амперной характеристики зонда.

Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов:

На рис. 8.1, а представлена типичная зондовая характеристика, получаемая при погружении в плазму вспомогательного электрода. Ток частиц, поступающий на поверхность, зависит от приложенной разности потенциалов между плазмой и рабочей поверхностью зонда.

Большим отрицательным потенциалам зондасоответствует участок ab, когда от него отталкиваются практически все электроны. В этом случае вокруг зонда формируется слой положительного объемного заряда, поле внутри которого уменьшается от зонда к границе невозмущенной плазмы. Толщина слоя автоматически устанавливается такой, чтобы положительный заряд ионов нейтрализовал бы действие отрицательного потенциала зонда. За пределами этого слоя влияние зонда на плазму не ощущается.

Электроны, приходящие из плазмы и не имеющие достаточной энергии для преодоления тормозящего поля, отталкиваются, а положительные ионы, приходящие к оболочке и проникающие в нее, попадают в ускоряющее поле и перемещаются к зонду. Ток на зонд обусловлен исключительно положительными ионами.

В пределах области плазмы, непосредственно примыкающей к слою, окружающему зонд, концентрация ионов спадает по следующему закону:

, при этом их скорость равна

. Ионный ток на границе слоя пространственного заряда составляет величину

, где S – площадь слоя, окружающего зонд. При большой поверхности зонда его площадь можно принять равной площади слоя. Отсюда ионный ток насыщения на плоский зонд определяется выражением

где j _i0 – плотность беспорядочного ионного тока в плазме; S – приемная поверхность зонда.

В неподвижной плазме ток насыщения ионов на зонд связан лишь с ее эмиссионной способностью.

На внешней границе слоя объемного заряда существует переходная область, в которой находятся не только ионы, но и наиболее подвижные электроны плазмы. Толщина этой области значительно меньше толщины слоя при значительных отрицательных потенциалах зонда.

С уменьшением (по абсолютному значению) отрицательного потенциала, задаваемого на зонд, уменьшается и толщина слоя, но ионный ток на зонд при этом остается неизменным.

Крутой подъем характеристики на участке bd связан с появляющейся возможностью выхода из плазмы на зонд электронов, способных преодолеть действие тормозящего поля. Зависимость концентрации электронов от координаты, отнесенное к единице времени и единице поверхности зонда, имеет вид

где n _е0 – концентрация электронов на границе слоя; U _ст – потенциал изолированной стенки, или плавающий потенциал плазмы; U ₀ – потенциал пространства в точке расположения зонда.

За счет попадающих на зонд электронов ток в цепи зонда уменьшается, так как часть заряда, отдаваемого зонду положительными ионами, компенсируется приходящими из плазмы электронами. При некотором значении потенциала токи на зонд выравниваются, и в точке c потенциал становится равным нулю. В этом случае потенциал зонда равен потенциалу изолированной стенки и называется плавающим потенциалом.

Электронный ток, протекающий в цепи зонда, зависит от потенциала:

При дальнейшем уменьшении потенциала ток на зонд становится преимущественно электронным и при этом быстро нарастает по закону Больцмана до тех пор, пока потенциал зонда не сравняется с потенциалом окружающей его плазмы. Потенциал зонда в точке излома (точка d) соответствует потенциалу пространства, т. е. плазмы в точке расположения зонда. При этом потенциале положительный слой объемного заряда вокруг зонда исчезает. Зонд становится как бы прозрачным для электронов и ионов. Они приходят к нему в процессе беспорядочного движения, не испытывая при этом ни притяжения, ни отталкивания. Ток на зонд равен разности плотностей беспорядочных электронного и ионного токов, умноженной на площадь зонда.

Из условия равенства токов

можно найти потенциал плазмы:

Дальнейшее повышение положительного потенциала зонда приводит к быстрому излому в ходе зондовой характеристики (участок de). При дальнейшем повышении потенциала около зонда формируется уже электронная оболочка. Положительные ионы, входя в оболочку, испытывают действие поля зонда и выталкиваются обратно в плазму, а электроны, попадая в ускоряющее для них поле, уходят на зонд. На участке ef на зонд идет чистый электронный ток, который слабо зависит от потенциала зонда. Насыщение электронного тока на зонд физически объясняется тем, что на зонд приходит хаотический ток электронов из плазмы, плотность тока которого – величина постоянная. С другой стороны, в оболочке должен соблюдаться закон степени “3/2”, который в рассматриваемом случае можно представить в виде

где U _з – потенциал зонда относительно плазмы; d – толщина оболочки.

Из выражения (8.1) следует, что с ростом потенциала зонда возрастает толщина электронной оболочки, ее поверхность почти не изменяется, неизменным остается и электронный ток на зонд (участок ef).

Выражение (8.1) строго справедливо для плоского зонда с охранным кольцом. Для цилиндрического зонда может наблюдаться некоторый рост S, однако, так как толщина оболочки много меньше диаметра зонда, можно считать на участке ef электронный ток примерно постоянным.

При рассмотрении изменения электронного тока на восходящем участке зондовой характеристики предполагают, что электроны имеют максвелловское распределение по скоростям. В этом случае число электронов, попадающих в единицу времени на единицу площади зонда перпендикулярно к его поверхности в интервале скоростей от

до (

), определяется как

При этом следует уточнить, что на зонд попадают только те электроны, у которых составляющая скорости

удовлетворяет соотношению

. Следовательно, полное число электронов, достигающих зонда, определяется интегрированием этого выражения в пределах от

до

. Умножив данное выражение на заряд электрона, получим плотность электронного тока на зонд при его потенциале U _з относительно плазмы:

Полученное уравнение показывает, что зависимость логарифма плотности электронного тока на зонд от потенциала зонда (при отрицательных относительно плазмы потенциалах) имеет линейный характер (рис. 6.1, б). Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс удовлетворяет соотношению

откуда определяется температура электронов

где

– приращение логарифма электронного тока; Δ U _з – вызвавшее это приращение изменение потенциала зонда.

На практике логарифмируют не плотность электронного тока на зонд, а полный электронный ток на зонд.

То, что экспериментальные полулогарифмические характеристики

действительно имеют прямолинейный участок, подтверждает правильность предположения о максвелловском характере распределения электронов по скоростям (энергиям) в плазме.

Зная температуру и плотность беспорядочного электронного тока в плазме, можно определить концентрацию электронов и равную ей концентрацию положительных ионов в плазме:

где I _e₀ берется для потенциала зонда, равного потенциалу плазмы.

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

где U _п1, U _п2 – потенциалы плазмы в месте установки первого и второго зондов.

1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе по изучению параметров плазмы низкого давления в разряде с накаленным катодом в парах ртути. Изучить схему экспериментальной установки (рис. 8.2), состоящей из блока накала катода, блока разрядного напряжения, блока управления потенциалом зонда. Ознакомиться с расположением органов управления.

2. Прогреть катод в течение 5 мин. Ток накала при этом поддерживать постоянным. Включить анодную цепь. Установить заданное значение разрядного тока. (При выключении схемы сначала снимается анодное напряжение, а потом выключается цепь накала.)

3. Снять вольт-амперные характеристики цилиндрических зондов, изменяя потенциал зонда в пределах от –30 до 0 В при нескольких значениях раз-рядного тока, указанных преподавателем. Диаметр зондов 1 мм, высота рабочей части 10 мм, расстояние между зондами 30 мм. Для регистрации тока в цепи зонда используется несколько милли- и микроамперметров с разными

пределами измерений, так как при снятии зондовых характеристик ток изменяется на несколько порядкови, кроме того, меняет направление своего движения.

5. Рассчитанные параметры плазмы: потенциал плазмы в месте нахождения зондов, температура электронного газа, концентрация заряженных частиц, продольная напряженность поля в положительном столбе. Расчеты выполняются в системе СИ.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

Цель работы: исследование и расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.

Разность потенциалов между электродами, при которой разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называется пробивным напряжением, или напряжением возникновения газового разряда, и имеет большое значение при разработке плазменных приборов и устройств. Физический смысл напряжения возникновения (U в) иллюстрируется с помощью вольт-амперной характеристики двухэлектродного промежутка, показанной на рис. 3.1, где j – плотность тока, протекающего между электродами; U 0– приложенное к ним напряжение.

Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.

Совершенно иначе обстоят дела на II участке вольт-амперной характеристики. Здесь очень существенна вторичная эмиссия электронов катодом под действием бомбардирующих его ионов. За счет образования ионов в объ- еме и выбивания ими вторичных электронов разряд перестает зависеть от внешних ионизирующих воздействий, он переходит в режим самоподдержания – становится «самостоятельным». Показанная на рис. 3.1 точка напряжения возникновения газового разряда (U в) является граничной, определяющей «несамостоятельный» разряд от «самостоятельного». По этой причине общепринятая методика вычисления значения U воснована на расчете U 0, при котором начинает выполняться условие самостоятельности:

где γ – коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа; L – расстояние между электродами; α(x) – коэффициент объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами.

В первом приближении можно считать, что значение коэффициента γ практически постоянно. Если предполагать, что в объеме при условиях, характерных для предпробойного состояния, образуются в основном однозарядные ионы, то отклонение от допущения о постоянстве коэффициента γ наступает лишь при энергии ионов около 1 кэВ.

Коэффициент объемной ионизации α определяется через функцию распределения электронов по энергиям, которая в сильном электрическом поле отличается от максвелловской. Определение этой функции в зависимости от напряженности электрического поля и координаты пространства – задача сложная, громоздкая и тем самым неоправданная для получения результатов, удобных для практического использования. Обработка экспериментальных результатов по зависимости α от напряженности электрического поля выявила, что эту зависимость приближенно можно аппроксимировать следующим соотношением:

где Е – напряженность электрического поля; р – давление газа (или пара) в промежутке; А и В – константы, зависящие от рода газа.

К сожалению, такая форма зависимости не позволяет достаточно точно описывать поведение α(Е, р) в широком диапазоне изменения аргументов с одними и теми же значениями констант А и В. Поэтому для аппроксимации коэффициента объемной ионизации для различных диапазонов Е / р приходится для одного и того же газа подбирать различные значения А и В.

Вернемся к условию самостоятельности разряда (3.1). Поскольку токи, протекающие между электродами, в предпробойном состоянии малы, не будем считаться со связанным с наличием объемных зарядов искажением потенциального рельефа между электродами. Примем, что распределение потенциала между плоскими электродами линейно. В связи с этим электрическое поле будет однородным, а его напряженность определяется как

Подставим выражения (3.2) и (3.3) в условие самостоятельности (3.1), получим:

Полученная зависимость U в= f (pL) – аналитическое выражение закона Пашена. Необходимо обратить внимание на то, что давление газа и междуэлектродное расстояние входят в зависимость в виде произведения. Графическая иллюстрация закона Пашена в качественном виде представлена на рис. 3.2.

Экспериментально измеренные кривые могут отличаться от теоретических по нескольким причинам. Во-первых, аппроксимация α(Е, р) применима не во всем диапазоне значений давления и напряженности электрического поля. Во-вторых, при высоких напряжениях и, соответственно, высоких энергиях приходящих на катод ионов, начинает наблюдаться значительная зависимость коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии от энергии ионов. Кроме того, при выводе выражения U в= f (pL) не учитывается ступенчатая ионизация, а также возможность автоэмиссии электронов с катода, которая определяет вакуумный пробой промежутка.

Схема лабораторной установки для измерения напряжения возникновения газового разряда в зависимости от давления газа и расстояния между пластинами-электродами приведена на рис. 3.3. Установка состоит из вакуумной камеры 1, откачка которой производится с помощью механического вакуумного насоса 2. В камере расположены пластины-электроды 3, 4, при этом пластина 3 жестко закреплена в рабочей камере, а пластина 4 имеет возможность перемещения вверх и вниз. Между пластинами-электродами создается разность потенциалов с помощью регулируемого источника напряжения питания 5. Давление в вакуумной камере регулируется с помощью натекателя 6. При исследовании напряжения возникновения газового разряда возможно использование двух газов: воздух или аргон. Для этого после натекателя установлен кран напуска воздуха 7, соединяющий тракт с атмосферой, а также баллон аргона 8 с редуктором 9. Измерение давления производится с помощью вакууметра Пирани, а расстояние между электродами – с помощью линейки на вакуумной камере.

1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2. Перед запуском установки убедиться, что натекатель закрыт (прокрутить вправо до упора при необходимости). Включить вакуумный насос, дождаться установления предельного давления (0.07 мбар).

3. Включить источник питания (тумблер «высокое» в положение «вверх»). Напряжение регулируется латером.

4. Установить постоянное значение давления p 1(с помощью натекателя, значение уточнить у преподавателя). Изменяя расстояние между пластинами (шаг 0.5 см) получить зависимость напряжения возникновения газового разряда U вот расстояния между пластинами.

5. Установить постоянное расстояние между электродами L 1= 1 см. Изменяя натекателем давление p (от 0.05 до 0.5 мбар) получить зависимость напряжения газового разряда U вот давления. Повторить измерения для расстояния между электродами L 2(значение уточнить у преподавателя).

6. После завершения исследований закрыть натекатель, выключить источник электрического питания и выключить насос установки.

3. Расчетные формулы (с пояснением всех входящих величин).

4. Расчетные и экспериментальные зависимости напряжения возникновения самостоятельного газового разряда.

5. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ
МЕТОДОМ ДВОЙНОГО ЗОНДА

Цель работы: Определить температуру электронной компоненты и напряженность продольного электрического поля в плазме методом двойного зонда и сопоставить эти данные с результатами, полученными с помощью одиночных электростатических зондов.

Метод двойного зонда предназначен для исследования плазмы в отсутствии опорного электрода и заключается в помещении в плазму двух одинаковых зондов, подключенных через потенциометр к источнику постоянного тока таким образом, чтобы обеспечивалась возможность изменять не только напряжение между зондами, но и полярность (рис. 5.1). Минимальное расстояние между зондами определяется тем расстоянием, на котором еще отсутствует экранирование одного зонда другим.

Если используются зонды одинаковых размеров, то и параметры плазмы в точках расположения зондов одинаковы. Вольт-амперная характеристика такой системы симметрична относительно точки, в которой ток обращается в ноль (рис. 5.2).

В случае различия потенциалов плазмы в точках расположения зондов характеристика двойного зонда смещается вдоль оси напряжений на величину Δ U = U п.пр1– U п.пр2(рис. 5.2). Сдвиг характеристики по оси напряжений может наблюдаться и при измерениях в плазме с переменными полями в случае сильной неоднородности последних. Переменное поле ведет к искажению вольт-амперной характеристики и изменению плавающего потенциала зондов.

Токи, идущие на каждый из зондов, равны по величине и противоположны по знаку. При изменении напряжения между зондами в системе с одинаковыми зондами ток будет ограничиваться током насыщения зонда, собирающего ионы.

Потенциал каждого из зондов (U 1– первого, U 2– второго, Δ U = U 1 – U 2– разность потенциалов между зондами) относительно плазмы будет устанавливаться таким образом, чтобы их токи оказались равными. Отсюда же следует, что оба зонда всегда находятся при отрицательных потенциалах относительно плазмы. Поскольку электронный ток экспоненциально растет при приближении потенциала зонда к потенциалу плазмы, потенциал зонда, собирающего электроны, лишь незначительно отличается от плавающего потенциала. При больших приложенных напряжениях практически все оно сосредоточено у зонда, собирающего ионы, а характеристика совпадает с характеристикой ионного тока насыщения одиночного зонда.

Характеристика двойного зонда в переходной области I (U):

Если предположить, что ионный ток не зависит от потенциала, т. е. характеристика находится в области насыщения, то исключая U 1и U 2, получим

где I (U) – ток, протекающий в цепи двойного зонда; I i– ионный ток насыщения; U з– напряжение между электродами двойного зонда; Δ U – разность потенциалов пространства в местах нахождения зондов (Δ U = U п.пр1– U п.пр2).

Выражение (5.1) хорошо соответствует переходной области вольт-амперной характеристики.

Двойной зонд имеет ряд преимуществ перед одиночным зондом:

– измерения проводятся в отсутствии электродов в плазме, относительно которых измеряется вольт-амперная характеристика одиночного зонда;

– система является «плавающей» (изолированной), и искажения плазмы зондом при измерениях значительно меньше.

Двойной зонд может использоваться при измерениях в сильных магнитных полях. Это связано с тем, что измерения ведутся в области ионного тока насыщения, а ионы остаются незамагниченными в достаточно сильных магнитных полях (когда электроны уже замагничены). В этом случае можно пользоваться теориями ионного тока на зонд в отсутствии магнитного поля.

Основные недостатки двойного зонда – невозможность измерения энергетического распределения электронов и невозможность определения потенциала пространства.

Двойной зонд позволяет определять температуру электронов T eи по ионному току насыщения – концентрацию заряженных частиц.

Электронная температура может быть определена несколькими способами:

где (dU з/ dI з) U = 0– эквивалентное сопротивление и представляет собой наклон ВАХ двойного зонда при U = 0;

– метод полулогарифмического графика, аналогичный для обработки ВАХ одиночного зонда:

Для определения концентрации заряженных частиц необходимо использовать теоретические представления об ионном токе на зонд, соответствующие условиям экспериментов. Эта процедура затрудняется тем, что зависимость i 1(U з) может быть получена в том случае, если определен потенциал зонда относительно плазмы U з, т. е. известен потенциал плазмы U п.пр. В рамках двухзондовой методики U п.прне может быть определен, и поэтому определение концентрации ионов проводится при больших значениях U, когда U з≈ U з.

В экспериментах часто размеры зондов оказываются не строго одинаковыми. Это ведет к тому, что наклоны характеристик в области ионного тока различаются. Для определения концентрации заряженных частиц по ионному току насыщения используется усредненное по двум ветвям значение ионного тока. К аналогичному различию могут приводить отличия в параметрах плазмы в местах расположения зондов.

На вид получаемой характеристики двойного зонда оказывает влияние и чистота поверхности. Изменение ее состояния ведет к появлению на ней перегибов.

ВАХ двойного зонда при одинаковых приемных площадях его электродов описывается выражением

где I з– ток, протекающий в цепи двойного зонда, I i– ионный то насыщения, U з– напряжение между электродами двойного зонда, T e– температура электронов

Реальная характеристика двойного зонда отличается от идеальной теоретической, тем, что она имеет заметный наклон в области насыщения. Связано это с увеличением эффективной площади зонда за счет увеличения ширины электростатического слоя вокруг зонда. Для определения тока насыщения, участок насыщения аппроксимируют прямой и находят ее пересечение с началом координат. Вид характеристики зависит и от ориентации электродов двойного зонда в плазме.

Выражение (5.2) справедливо в случае, если электроды двойного зонда расположены симметрично относительно оси разряда. Если расстояние между зондами и анодом различно, то за счет наличия в плазме продольного поля Е характеристика зонда сместится относительно начала координат. Величина смещения определяется следующим образом:

где l – расстояние между электродами двойного зонда, Е – напряжение электрического поля. Это обстоятельство позволяет с помощью двойного зонда измерять напряженность продольного поля в плазме (электроды двойного зонда должны быть изготовлены из одного материала). Продифференцируем (5.2) по U з:

где I i(0) = I i(U 3= 0). Как уже обсуждалось, реальные характеристики зондов отличаются от идеальной характеристики. Поэтому, выражая из равенства температуру электронов, запишем формулу в виде

Данная формула показывает, что для определения температуры электронов по методу двойного зонда не требуется логарифмировать вольтамперную характеристику, как при определении температуры электронов одиночным электростатическим зондом. Величина I i(0) для расчета Т еопределяется приближенно путем линейной экстраполяции участка насыщения характеристики. Электрическое поле в плазме методом двойного зонда определяется на основании

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: