Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть использовано 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 и регистрацию вольт-амперной характеристики. По вольт-амперной характеристике судят о концентрации электронов плазмы. В одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию вольт-амперной характеристики для цилиндрических зондов различного радиуса. Зонды выбирают одинаковой длины, много большей радиуса. Строят экспериментальную зависимость значений электронной концентрации от радиуса. Выбирают аппроксимирующую функцию и экстраполируют ее до нулевого радиуса. По значению электронной концентрации при нулевом радиусе судят об электронной концентрации невозмущенной плазмы. Изобретение позволяет определять электронную концентрацию ионизованной среды при давлениях вплоть до атмосферного (760 Тор). 1 ил.

 

Изобретение относится к области электрофизики, в частности к средствам диагностики плазмы, и может быть использовано 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 зондировании исследуемой плазмы постоянным током малой интенсивности. Суть способа заключается в том, что в плазму помещают металлический проводник (далее - зонд) различный 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 вольт-амперную 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 Top;

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 Top).

Технический результат достигается тем, что в способе определения концентрации электронов в плазменных устройствах, включающем установку зонда в плазменную камеру, создание в ней плазмы, зондирование плазмы постоянным током малой интенсивности, регистрацию вольт-амперной характеристики, по которой судят о концентрации электронов плазмы, новым является то, что при одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию вольт-амперной характеристики для цилиндрических зондов различного радиуса, каждый из которых выбирают одинаковой длины, много большей его 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.

К настоящему времени технологии производства металлических проволочек диаметром вплоть до нескольких микрон доведены до совершенства. При этом следует учесть, что любая металлическая проволока в зондовом эксперименте выполняет одновременно функции зонда, его подвеса и токопровода. Эти факторы определяют существенное преимущество цилиндрических зондов относительно зондов другой геометрии. Например, в случае сферических зондов малых радиусов, производство которых высокотехнологичное и, как следствие, дорогостоящее, привлекательность указанной методики заметно уменьшается.

Получим аналитический вид зависимости концентрации электронов от радиуса n_e(r). Будем условно разделять частицы, попадающие на зонд, на финитные и инфинитные (соответственно испытывающие и не испытывающие столкновений в призондовом слое плазме) [1]. Положим концентрацию финитных частиц конечной, но не зависящей от диаметра зонда, а инфинитных - функцией отношения х(r)λ_е, которое определяет режим работы зонда:

Тогда электронная концентрация определяется алгебраической суммой концентраций частиц обоих сортов, т.е.

Здесь λ_е - длина свободного пробега электрона; х(r) - линейный размер области от оси зонда, на котором происходит экранировка возмущающего действия зонда; n' - концентрация инфинитных частиц в призондовом слое плазмы в случае столкновительного режима работы зонда.

С хорошей точностью можно положить размер возмущенной области линейно зависящим от радиуса зонда x(r)=k·r.

Тогда, согласно предложенному в данном способе алгоритму концентрация невозмущенной действием зонда плазмы n_ист может быть вычислена по формуле

Из (2) следует, что в пределе зондов малых радиусов функция n_ист=n(r) определяется только финитными частицами в призондовом слое.

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 [2] длина свободного пробега собираемых зондом электронов (n₀ - концентрация нейтралов, соответствующая давлению рабочей среды; σ - эффективное сечение столкновения электронов с нейтральными атомами среды [5]); неизвестные линейный коэффициент k и концентрации n' в двойном слое в случае столкновительного режима работы зонда и финитных частиц n_ф. Поэтому экспериментальное определение параметров плазмы для произвольного соотношения между длиной свободного пробега электронов λ_e, радиусом зонда r и размером возмущенной области х по результатам зондовых измерений, выполненных зондом только одного радиуса, является некорректным.

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 вольт-амперных характеристик для цилиндрических зондов различного радиуса, каждый из которых выбирают одинаковой длины, много большей его 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 цилиндрического ленгмюровского зонда, где • - эксперимент, ―- - аппроксимация, ----- - экстраполяция, n_ист - электронная концентрация при нулевом радиусе (концентрация невозмущенной плазмы).

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Устанавливают одиночный цилиндрический вольфрамовый зонд радиусом 0.1...3 мм в плазменную камеру, создают в ней плазму, зондируют плазму постоянным током малой интенсивности, регистрируют зондовую вольт-амперную характеристику, согласно известным методам обработки однозондовых вольт-амперных характеристик [1-3] определяют электронную концентрацию плазмы для зонда данного радиуса. Далее при неизменных условиях создания плазмы поочередно осуществляют аналогичные действия для цилиндрических зондов одинаковой длины различного радиуса. При этом выполняется условие, что длина рабочей части каждого из зондов должна быть много больше его радиуса. Затем 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.

На предприятии проведена экспериментальная апробация способа для измерения электронной концентрации плазмы тлеющего разряда, реализованной в геометрии полый катод- кольцевой анод и распадающейся фотоионизованной плазмы дугового разряда в диапазоне давлений 10^-2...760 Тор. При этом диаметр зондов изменялся в диапазоне 0.1...3 мм.

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

Источники известности, принятые во внимание

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. 240 с.

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. D.E.Callen, J.H.Hubbel, L.Kissel. EPDL 97: The Evaluated Photon Data Library 97' Version // Lawrence Liver-more 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 вольт-амперной характеристики, по которой судят о концентрации электронов плазмы, отличающийся тем, что при одинаковых условиях создания плазмы осуществляют зондирование и регистрацию вольт-амперной характеристики для цилиндрических зондов различного радиуса, каждый из которых выбирают одинаковой длины много большей его 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.