Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах

3аявленный способ относится к области диагностики плазмы и может быть использован для измерения электронной концентрации плазменных образований различной геометрии в широком диапазоне исследуемых параметров. Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах включает установку зонда в плазменную камеру, создание в ней плазмы, зондирование плазмы постоянным током малой интенсивности, регистрацию вольтамперной характеристики, по которой судят о концентрации электронов плазмы. Новым в способе является то, что при одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию вольтамперной характеристики для сферических зондов различного радиуса строят экспериментальную зависимость значений электронной концентрации от радиуса, выбирают аппроксимирующую функцию, экстраполируют ее до нулевого радиуса и по значению электронной концентрации при нулевом радиусе судят об электронной концентрации невозмущенной плазмы. Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности определения электронной концентрации ионизованной среды при давлениях вплоть до атмосферного (760 Торр). 1 ил.

 

Способ относится к области электрофизики, в частности к средствам диагностики плазмы, и может быть использован для измерения электронной концентрации плазменных образований различной геометрии в широком диапазоне исследуемых параметров.

Уровень техники

Известен способ измерения электронной концентрации плазменных образований с помощью одиночного зонда Ленгмюра [1-4], основанный на активном зондировании исследуемой плазмы постоянным током малой интенсивности. Суть способа заключается в том, что в плазму помещают металлический проводник (далее - зонд) различной формы - плоской, цилиндрической или сферической геометрии. С помощью внешнего источника напряжения задают потенциал зонда относительно одного из инициирующих разряд электродов (чаще всего находящегося под нулевым потенциалом). Регистрируют зависимость тока на зонд от подаваемого на него потенциала, т.е. снимают зондовую вольтамперную характеристику (ВАХ), по которой судят о концентрации электронов плазмы.

Данное решение как наиболее близкое по физической и технической сущности выбрано за прототип. Способ-прототип отличается простотой технической реализации и широтой спектра измеряемых параметров плазмы (электронные концентрация и температура, потенциал пространства плазмы, функция распределения электронов по энергиям и т.д.).

Способу [1-4] присущи следующие недостатки:

1) способ не позволяет получать достоверные данные по электронной концентрации плазмы при давлениях ионизованной среды выше 1 Торр;

2) способ не учитывает фактических размеров площади собирающей электроны из исследуемой плазмы поверхности.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является определение электронной концентрации плазмы при давлениях вплоть до одной атмосферы (760 Topp).

Технический результат достигается тем, что в способе определения концентрации электронов в плазменных устройствах, включающем установку сферического зонда в плазменную камеру, создание в ней плазмы, зондирование плазмы постоянным током малой интенсивности, регистрацию вольтамперной характеристики, по которой судят о концентрации электронов плазмы, новым является то, что при одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию вольтамперных характеристик для сферических зондов различного радиуса, строят экспериментальную зависимость значений электронной концентрации от радиуса, выбирают аппроксимирующую функцию, экстраполируют ее до нулевого радиуса и по значению электронной концентрации при нулевом радиусе судят об электронной концентрации невозмущенной плазмы.

Известно выражение [5], связывающее измеренную сферическим электрическим зондом, находящимся при потенциале пространства, электронную концентрацию с "истинной" концентрацией (невозмущенной действием зонда) исследуемого плазменного объекта. Для случая сферического зонда радиуса r, помещенного в безграничную плазму, это выражение имеет вид:

Здесь n - измеренная электронная концентрация плазмы; λ - длина свободного пробега электрона для данного давления рабочей среды; n_∞ - электронная концентрация невозмущенной действием зонда плазмы; r - радиус сферического зонда; х - линейный размер области, на котором происходит экранировка возмущающего действия зонда.

На практике интерпретация экспериментальных данных осложняется тем, что расстояние х является сложной функцией, зависящей от параметров самой плазмы и размеров зонда. Остановимся более детально на рассмотрении выражения (1). В него входят следующие величины: непосредственно измеряемый радиус зонда r; вычисляемая с хорошей точностью по формуле длина свободного пробега собираемых зондом электронов (n₀ - концентрация нейтралов, соответствующая давлению рабочей среды; σ - эффективное сечение столкновения электронов с нейтральными атомами среды [6]); неизвестное расстояние х и концентрация невозмущенной плазмы n_∞. Поэтому экспериментальное определение параметров плазмы для произвольного соотношения между длиной свободного пробега электронов λ, радиусом зонда r и размером возмущенной области вокруг зонда х по результатам зондовых измерений, выполненных зондом только одного радиуса является некорректным.

В предельном случае низких давлений рабочей среды, когда корректность измерений многократно подтверждена экспериментами [1-4], т.е. при когда можно пренебречь толщиной слоя объемного заряда, формирующегося вблизи поверхности зонда, по сравнению с его радиусом, можно считать, что эффективной поверхностью, собирающей электроны из окружающей плазмы, является, собственно, поверхность самого зонда.

Поэтому в выражении (1) следует положить х=r, после чего выражение (1) примет следующий вид:

Если устремить радиус сферического зонда к нулевому значению и задать ему относительно нулевого электрический потенциал, равный потенциалу пространства (самой плазмы в этой точке и ее окрестности), то, исходя из разумных соображений, зонд не будет создавать вокруг себя электрического поля и возмущающее действие зонда на исследуемый объект будет сведено к минимуму. Если рассмотреть выражение (1) в пределе при r→0, то результат получится тот же, что и в рассмотренном ранее предельном случае, т.е. .

Рассмотрим влияние отличительных признаков на достижение технического результата в заявляемом изобретении.

Отличительные признаки заявляемого способа "при одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию зондовых вольтамперных характеристик для сферических зондов различного радиуса" и "строят экспериментальную зависимость значений электронной концентрации от радиуса" позволяют корректно определить вид функции, аппроксимирующей экспериментальную зависимость n(r). Последующие отличительные признаки, "выбирают аппроксимирующую функцию, экстраполируют ее до нулевого радиуса и по значению электронной концентрации при нулевом радиусе судят об электронной концентрации невозмущенной плазмы", позволяют свести измерения при повышенных давлениях рабочей среды (вплоть до 760 Top) к случаю низких давлений, когда корректность измерений не вызывает сомнений.

На чертеже представлена зависимость электронной концентрации от радиуса сферического ленгмюровского зонда, где • - эксперимент, - - аппроксимация, ---- - экстраполяция, n_ист - электронная концентрация при нулевом радиусе (концентрация невозмущенной плазмы).

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Устанавливают одиночный сферический вольфрамовый зонд радиуса 0.1...3 мм в плазменную камеру, создают в ней плазму, зондируют плазму постоянным током малой интенсивности, регистрируют зондовую вольтамперную характеристику, согласно известным методам обработки однозондовых вольтамперных характеристик [1-3] определяют электронную концентрацию плазмы для зонда данного радиуса. Далее при неизменных условиях создания плазмы поочередно осуществляют аналогичные действия для сферических зондов различного радиуса. Затем строят экспериментальную зависимость значений электронной концентрации от радиуса n(r); выбирают аппроксимирующую функцию (например, в форме (1)), экстраполируют ее до нулевого радиуса и по значению электронной концентрации при нулевом радиусе судят об электронной концентрации невозмущенной плазмы.

На предприятии проведена экспериментальная апробация способа для измерения электронной концентрации плазмы тлеющего разряда и распадающейся фотоионизованной плазмы дугового разряда в диапазоне давлений 10^-2...760 Торр. При этом диаметр зондов изменялся в диапазоне 0.1...3 мм.

Изобретение найдет применение в исследованиях в различных областях техники и технологиях, связанных с получением и использованием плазменных образований различной геометрии в широком диапазоне экспериментальных условий.

Источники информации

1. Козлов О.В. «Электрический зонд в плазме». - М.: Атомиздат, 1969. - 292 с.

2. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. «Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы». - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 240 с.

3. Алексеев Б.В., Котельников В.А. «Зондовый метод диагностики плазмы». - М.: Энергоатомиздат, 1988. 240с.

4. «Методы исследования плазмы». /Спектроскопия, лазеры, зонды/ Под редакцией В.Лохте-Хольтгревена, перевод с английского под редакцией С.Ю.Лукьянова. - М.: Издательство «Мир», 1971. - 552 с.

5. Ю.М.Каган, В.И.Перель // К теории зонда в плазме. I. /ЖТФ. 1954. T.XXIV. Вып.5. С.889-894.

6. D.E.Callen, J.H.Hubbel, L.Kissel. EPDL 97: The Evaluated Photon Data Library 97' Version // Lawrence Livermore National Laboratory, Report UCRL-50400. - 1997. - V.6. - Rev.5.

Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах, включающий установку зонда в плазменную камеру, создание в ней плазмы, зондирование плазмы постоянным током малой интенсивности, регистрацию вольтамперной характеристики, по которой судят о концентрации электронов плазмы, отличающийся тем, что при одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию вольтамперной характеристики для сферических зондов различного радиуса, строят экспериментальную зависимость значений электронной концентрации от радиуса, выбирают аппроксимирующую функцию, экстраполируют ее до нулевого радиуса и по значению электронной концентрации при нулевом радиусе судят об электронной концентрации невозмущенной плазмы.