Способ определения концентрации электронов в пучково- плазменных свч-приборах
Авторы патента:
Использование: пучково-плазменные СВЧ-приборы. Сущность изобретения: способ включает определение плазменного тока на боковую поверхность прибора, измерение давления газа в приборе и определения концентрации плазмы по соотношению, приведенному в описании. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электрофизике и может применяться для создания пучково-плазменных СВЧ-приборов.
Известен способ определения концентрации плазмы, основанный на измерении плазменного тока с помощью ленгмюровского зонда [1]. Недостатком этого способа является низкая точность определения концентрации плазмы в пучково-плазменных приборах. Это связано с тем, что зонд нельзя размещать в области канала замедляющей структуры, где проходит пучок, создающий плазму. Зонд можно размещать только в стороне от канала пучка, где концентрация плазмы спадает и сильно отличается от концентрации в самом канале. Наиболее близким по технической сущности является способ определения концентрации плазмы в пучково-плазменных СВЧ-приборах, основанный на измерении величины тока на коллектор или тока на боковую поверхность СВЧ-прибора [2]. Способ позволяет измерять концентрацию нетермализованной плазмы. Недостатком этого способа является невозможность измерения концентрации термализованной плазмы, так как скорость плазменных электронов в этом случае неизвестна. Целью изобретения является определение концентрации в условиях термализованной плазмы. Цель достигается тем, что в способе определения концентрации электронов в пучково-плазменных СВЧ-приборах, включающем определение величины тока Iб на боковую поверхность СВЧ-прибора, дополнительно измеряют давление газа Р в СВЧ-приборе, а концентрацию электронов определяют из соотношения: ne= A + - A+ A - - A A = , Sp= r2p, no= N где е - заряд электрона; М - масса иона; - средняя энергия вторичных электронов; rp - радиус плазменного канала; М - число Лошмидта; Ратм = 760 Торр - атмосферное давление. Кроме того, цель достигается также тем, что измеряют ток пучка Iв и ток коллектора Iк, а плазменный ток Iб определяют как разность Iб = Iв - Iк. На фиг. 1 приведена зависимость тока на коллектор Iк от величины запирающего потенциала коллектора Uк; на фиг.2 показана зависимость тока на боковую поверхность Iб прибора от величины Uк. Сущность предложенного способа состоит в следующем. Пучок ускоренных электронов ионизует газ. Плазменные вторичные электроны (нетермализованные) имеют энергетический спектр от нуля до энергии пучка, но основное их количество составляют низкоэнергетические электроны. Например, при ионизации водорода пучковыми электронами с энергией в = 20-50 кэВ основная масса вторичных электронов имеет энергию в< 100 эВ, а средняя энергия вторичных (нетермализованных) электронов составляет 20 эВ. Ионы нетермализованной плазмы имеют исходную тепловую энергию, определяемую комнатной температурой газа, равную i 0,025 эВ. Плазма в пучково-плазменных СВЧ-приборах находится в продольном магнитном поле. При работе пучково-плазменного СВЧ-прибора без запирающего потенциала на коллекторе вдоль магнитных силовых линий на коллектор выходят в основном высокоскоростные плазменные электроны, а низкоскоростные плазменные ионы своим кулоновским полем выталкиваются поперек магнитного поля на боковую поверхность канала. Если работа пучково-плазменного СВЧ-прибора осуществляется с большим отрицательным потенциалом коллектора ( -100 В), то картина разлета плазмы изменяется на противоположную, а именно на коллектор проходят только ионы, а электроны плазмы отражаются от него, оставаясь в канале. Требование квазинейтральности плазмы приводит к тому, что избыток электронов в канале выталкивается кулоновскими силами на структуру, то есть происходит трехмерный разлет плазмы с разделением зарядов. Ток ионов уменьшает сигнал электронов пучка. Измеряя ток пучка Iв и ток коллектора Iк и определяя ток ионов на коллектор а разность Iв-Iк или измеряя равный ему ток электронов на боковую поверхность Iб, можно определить концентрацию плазмы nе в канале как ne= = (1) где Sр - сечение плазменного шнура;vzi - скорость ухода ионов на коллектор. Скорость vzi не известна и определяется конечным состоянием плазмы при наличии отрицательного потенциала на коллекторе. В этом случае электроны плазмы находятся в канале длительное время, многократно отражаясь от отрицательного потенциала коллектора и высокого ускоряющего потенциала катода пушки. В результате длительного пребывания в канале вторичные электроны плазмы успевают термализоваться, то есть отдают свою энергию ионам плазмы и нейтральным молекулам газа, нагревая их, а также переводя их в возбужденное состояние. В результате термализации плазма становится равновесной, с одинаковыми энергиями электронов, ионов и нейтральных молекул и ионы уходят на коллектор со скоростью vzi, определяемой их конечной тепловой энергией i. Для этого случая можно записать уравнение теплового баланса
ne *kni+i(ne+ni+no) (2) где * - энергия, потраченная на возбуждение ионов;
k - коэффициент, зависящий от сечения возбуждения;
ni,no - концентрация ионов и нейтральных молекул газа. Членом * kni можно пренебречь, так как * , а k<<1, поскольку сечение возбуждения много меньше сечения ионизации. Тогда будем иметь
ne i(2ne+no) (3) откуда
i= (4)
В результате ионы уходят на коллектор со скоростью vzi, определяемой их конечной тепловой энергией i. В этом случае концентрацию плазмы можно определить по соотношению
ne= = (5) где М - масса иона. Величина 2Sp учитывает вылет ионов из структуры в обе стороны, на коллектор и на катод. Подставляя (4) в (5), получим
ne= (6) откуда получаем уравнение для определения ne:
n3e - 2ne- no= 0 (7)
Это кубическое уравнение относительно ne типа
y3 + 3ay + 2b = 0 (8) где
a = - A, b = - Ano, A = , no= N
N = 2,69 1019 см-3 - число Лошмидта;
Ратм = 760 Торр - атмосферное давление;
Р - давление газа в приборе. Решения этого уравнения имеют вид:
y1= u+v, y2= 1u+2v, y3= 2u+1v (9) где
u = , v = , 1,2= - i
Интерес представляет первое действительное решение у1. Тогда окончательное выражение для определения концентрации плазмы будет иметь вид
ne= A + - A+ A + - A (10)
Следовательно, для определения концентрации плазмы необходимо измерить давление нейтрального газа Р в приборе, измерить ток с боковой поверхности Iб или измерить ток пучка Iв (ток пушки) и ток с коллектора Iк, получить разность этих токов Iв - Iк и по соотношению (10) рассчитать значение концентрации плазмы. При малой концентрации плазмы ne < < 1012 см-3, когда изменение тока коллектора мало, его трудно измерить на фоне большого тока пучка. В этом случае для определения ne удобнее использовать ток Iб, поскольку на структуре отсутствует большой ток пучка и соответственно Iб можно измерить более точно. При ne > 1012 см-3, когда ток ионов становится сравнимым с током пучка, для определения ne можно использовать токи Iв - Iк. Предложенный способ применим не только при больших отрицательных потенциалах коллектора. Он может использоваться и при малых Uк в несколько вольт, но при больших давлениях газа Р > 10-3 Торр, когда концентрация плазмы становится меньше времени пролета плазменными электронами длины прибора, плазма успевает термализоваться и энергия электронов уменьшается до уровня 1-2 эВ. Отрицательный потенциал коллектора будет ускорять ионы плазмы, то есть изменять их скорость ухода на коллектор, что, на первый взгляд, должно вносить большую ошибку при измерении концентрации. Однако отрицательный потенциал приложен к узкому зазору ( 0,5 см) между коллектором и концом замедляющей структуры, а в канал он не проникает и только на этом зазоре ионы получают ускорение. Ток ионов на коллектор будет определяться не скоростью ионов на этом участке, а скоростью подхода ионов из канала к этому участку, которая определяется их температурой. Поэтому потенциал коллектора не будет вносить существенной ошибки в результаты измерений ne. Вторично-эмиссионные электроны, выбиваемые из поверхности коллектора, также не вносят существенной ошибки в результаты измерений, так как при энергии пучковых электронов в несколько десятков киловольт коэффициент вторичной эмиссии близок к нулю. Приведем пример конкретной реализации способа. Определим концентрацию плазмы на конкретном примере из экспериментальных данных. В пучково-плазменном СВЧ-приборе измерялись величины Iб и Iк в зависимости от величины коллекторного потенциала Uк(фиг.1,2). Измерения проводились при следующих параметрах: Iв = 2А, Sр 1 см2, давление газа (водорода) в приборе Р = (3-6) 10-4 Торр. При Uк = 0 ток на боковую поверхность определяется только потерями пучка при его транспортировке через прибор, которые составляют 1% от тока пучка. Концентрация плазмы мала и незаметна для измерений. При Uк = 100 В плазменные электроны отсекаются от коллектора и концентрация плазмы в канале существенно увеличивается. Ток на боковую поверхность становится равным Iб = 0,2 А (при Р = 3 10-4 Торр). Определим концентрацию плазмы в этом случае. Ввиду того, что в b2 >> a3, второе слагаемое в (10) будет равно нулю и выражение (10) для ne можно упростить:
ne (11)
В результате получаем концентрацию плазмы, равную
ne=
61011см-3
Этот результат совпадает с точностью до 10% с результатами измерения концентрации плазмы другими способами, например по пучково-плазменному СВЧ-взаимодействию. Таким образом, предложенный способ позволяет определять концентрацию термализованной плазмы.
Формула изобретения
где e - заряд электрона;
M - масса иона;
- средняя энергия вторичных электронов;
rр - радиус плазменного канала;
N - число Лошмидта;
Pатм = 760 Торр - атмосферное давление. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют ток Iв пучка и ток Iк коллектора, а плазменный ток Iб определяют как разность
Iб = Iв - Iк.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2
Похожие патенты:
Способ ускорения заряженных частиц // 2025912
Система электропитания ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения // 2025056
Изобретение относится к источникам плазмы на базе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), применяемым в плазменной технологии, а также к двигателям и ускорителям того же типа, используемым в космической технике
Электрореактивная двигательная установка // 2024785
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для создания электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ), а также в технологических установках, где есть необходимость создания контролируемого потока плазмы
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей на основе ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) и технологических источников ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме
Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях (СПД), двигателях с анодным слоем (ДАС), а также в области прикладного применения плазменных ускорителей
Накопитель низкоэнергетичных тяжелых ионов // 2017352
Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к проблеме получения интенсивных сгустков тяжелых ионов с длительностью порядка микросекунд
Электрореактивная двигательная установка // 2017017
Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам (ЭРДУ) на базе плазменного двигателя (ПД) для КА, и может быть использовано для создания ЭРДУ с повышенной надежностью
Термоядерный реактор // 2100849
Ускоритель плазмы // 2100916
Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к устройствам для ускорения заряженных частиц, и может быть использовано, в первую очередь, для обработки высокоэнергетическими плазменными потоками металлических поверхностей с целью повышения таких их характеристик как чистота поверхности, микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, усталостная прочность и др
Изобретение относится к системам тепловой защиты из огнеупорного композитного материала, которые охлаждаются потоком жидкости, и более точно касается конструкции тепловой защиты для отражателя камеры удерживания плазмы в установке термоядерного синтеза, охлаждающего элемента, который использован в конструкции тепловой защиты, и способа изготовления такого охлаждающего элемента
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую
Плазмоэрозионный размыкатель // 2105436
Плазмоэрозионный размыкатель // 2105437
Газоразрядная камера // 2105439
Изобретение относится к области технологии очистки и обезвреживания отходящих газов, газовых выбросов различных производств и процессов, а также плазмохимического синтеза химически активных соединений с использованием электрических методов, в частности к устройству газоразрядных камер, в которых производят процесс детоксикации и очистки