Способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку и устройство для его осуществления



Способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку и устройство для его осуществления
Способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку и устройство для его осуществления
Способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку и устройство для его осуществления
H05H1/00 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2660465:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) (RU)

Изобретение относится к средствам определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку. В заявленном способе путем регистрации пространственного распределения в плазме электрических параметров подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра с последующей обработкой результатов измерений, которые согласно предложению проводят имитатором пристеночного зонда Ленгмюра, а в качестве его электрических параметров регистрируют полные зондовые вольт-амперные характеристики. Устройство содержит введенный в газоразрядное пространство подвижный одиночный плоский зонд Ленгмюра, собирающая поверхность зонда выполнена в виде торца проволоки, зафиксированной в керамическом стержне заподлицо с его торцом, площадь которого превышает собирающую поверхность зонда в десять и более раз, стержень снабжен внешним опорным электродом с развитой поверхностью. На противоположном конце керамического стержня оба проводника выведены из его каналов и подключены к регистрирующей аппаратуре. В случае работы с ВЧ плазмой поверхность керамического стержня, примыкающая к опорному электроду, окружена заземленным металлическим экраном. Техническим результатом является повышение точности и надежности определения плотности ионного тока на контактирующую с газоразрядной плазмой твердотельную стенку под плавающим потенциалом, роль которой в высокочастотных ионных двигателях выполняется эмиссионным электродом ионно-оптической системы. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к экспериментальной технике изучения газоразрядных источников ионов, включая ионные электроракетные двигатели.

Известен способ определения плотности ионного тока на эмиссионный электрод ионно-оптической системы (ИОС) ВЧ ионного двигателя (ВЧИД) путем локальных зондовых измерений пространственного распределения параметров плазмы около ИОС с последующим анализом полученных результатов, причем измерения проводятся двойным цилиндрическим зондом Ленгмюра, определяется температура электронов и их концентрация, а плотность ионного тока к границе плазмы, которая рассматривается как эмиссионный электрод ИОС, находится с помощью теории Ленгмюра-Тонкса [1]. Недостатками данного способа являются низкая точность диагностики плазмы двойными зондами, особенно в условиях ВЧ плазмы, искажающей зондовые характеристики, отсутствие учета образования переходного, или лимитационного слоя около твердотельной стенки, где происходит снижение концентрации заряженных частиц за счет их амбиполярной диффузии к стенке с последующей рекомбинацией, и расчетно-теоретический путь определения искомого параметра. По этой причине погрешности результатов применения способа [1] велики.

Известен способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку в виде технологического пьедестала для кремниевых пластин путем регистрации пространственного распределения в плазме электрических параметров радиально подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра [2]. В качестве электрического параметра этого зонда регистрируется собираемый им ионный ток при подаче на него фиксированного отрицательного потенциала -70 В, а размер собирающей поверхности зонда (площадь 0,32 мм2, диаметр 0,64 мм), по предположению авторов, обеспечивает постоянство ионного тока при изменении потенциала зонда.

Недостатком данного способа является невысокая точность результатов измерений из-за того, что при изменении потенциала зонда собираемый им ионный ток не может оставаться постоянным из-за неизбежного изменения размеров боковой границы слоя объемного заряда, которая тоже собирает заряженные частицы из плазмы. В результате ионная ветвь зондовой характеристики оказывается наклонной, и при потенциале зонда V=-70 В измеренный ток ионов будет завышен в несколько раз. Кроме того, примененный в [2] плоский зонд диаметра 0,64 мм представляет собой торец проволоки в пленочной изоляции, расположенной вдали от зоны плазменной обработки подложек. В этом случае показания зонда не учитывают снижения плотности ионного тока в переходном слое плазмы перед подложками. Этот фактор усиливает упомянутую выше ошибку измерений.

Технической задачей данного предложения является повышение точности определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку под плавающим потенциалом, роль которой в случае ионных двигателей выполняет эмиссионный электрод ИОС ВЧИД, а также снижение стоимости исследования по сравнению с использованием классических пристеночных плоских зондов.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известном способе определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку путем регистрации в прилегающей плазме пространственного распределения электрических параметров подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра с последующей их обработкой, причем эти измерения проводят имитатором пристеночного зонда Ленгмюра, а в качестве его электрических параметров регистрируют полные зондовые вольт-амперные характеристики.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае бесстолкновительной плазмы с функцией распределения электронов по энергиям, близкой к максвелловской, стандартной обработкой зондовых характеристик определяют электронную температуру Te, потенциал пространства Vs, плавающий потенциал Vf и плотность тока электронного насыщения с последующим умножением последней на больцмановскую экспоненту exp[-(Vs-Vf)/Te], где потенциалы и температура электронов выражены в одинаковых единицах.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае немаксвелловской плазмы обработку зондовых характеристик проводят линейной экстраполяцией к плавающему потенциалу плазмы ионных ветвей полулогарифмических зондовых характеристик с логарифмическим представлением величин зондового тока.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае немаксвелловской плазмы обработку зондовых характеристик проводят линейной экстраполяцией ионных ветвей линейных зондовых характеристик к плавающему потенциалу плазмы.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку, содержащем введенный в газоразрядное плазменное пространство подвижный одиночный плоский зонд Ленгмюра с собирающей поверхностью в виде проволочного торца, его зондовая проволока введена в один из каналов многоканального керамического стержня с фиксацией измерительного торца проволоки заподлицо с торцом керамического стержня, внешний диаметр которого выбран так, чтобы площадь керамической поверхности, окружающей измерительный торец проволоки, превышала площадь собирающей поверхности зонда в десять и более раз, в другом канале стержня размещен дополнительный проводник, подключенный к внешнему опорному зонду с развитой собирающей поверхностью, охватывающему керамический стержень около его измерительного торца, а на противоположном конце керамического стержня оба проводника выведены из его каналов и подключены к регистрирующей аппаратуре.

Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае работы с высокочастотной плазмой внешняя поверхность керамического стержня в промежутке между опорным зондом и стенкой газоразрядной камеры окружена заземленным металлическим экраном, не имеющим электрического контакта с опорным зондом.

На фиг. 1 приведены схема и чертеж имитатора пристеночного плоского зонда, установленного в двухканальном керамическом стержне 1 с внешним опорным зондом 2 и наружным заземленным экраном 3. Собирающая поверхность 4 плоского зонда в таком исполнении окружена керамикой стержневого торца, имитирующего стенку, на которой происходит рекомбинация заряженных частиц плазмы и образование стационарного переходного слоя в плазме. Эту функцию стенки усиливает расположенный рядом опорный зонд 2. Таким образом, плоский зонд данной конструкции является имитатором пристеночного зонда со всеми вытекающими последствиями, главным из которых является образование характерного для стенки стационарного переходного слоя перед слоем объемного заряда на поверхности плоского зонда и керамического торца. Концентрация заряженных частиц внутри переходного слоя на границе пристеночного слоя объемного заряда и, следовательно, плотность тока ионов к стенке уменьшаются при этом из-за снижения ионизационного равновесия в плазме переходного слоя.

Работает данное устройство следующим образом. Оба вывода имитатора пристеночного зонда 5 подсоединяют к зондовой станции, которая обеспечивает автоматическую регистрацию зондовых характеристик и определение традиционных параметров плазмы: функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), температуры и концентрации электронов, плавающего и плазменного потенциалов, а также плотности электронного тока насыщения на зонд. Далее на основании заявленного способа определяют плотность ионного тока на контактирующую с плазмой стенку под плавающим потенциалом, которая в случае ионного двигателя представляет собой эмиссионный электрод ИОС. Знание плотности ионного тока на данный электрод определяет оптимальную геометрию и параметры ускоряющих ячеек ИОС, а также величину суммарного тока ионного пучка, создающего тягу двигателя.

Примером реализации предлагаемого изобретения послужил эксперимент по локальной зондовой диагностике ксеноновой плазмы в модели ВЧИД при расходе ксенона q=2 смл/мин, создававшем в газоразрядном пространстве динамическое давление р=2⋅10-3 мм рт.ст. (на этих режимах плазма является бесстолкновительной и изотропной). Приведенный ниже пример характеризуется поглощенной плазмой мощностью Рп=175 Вт при падающей мощности ВЧ генератора Рг=200 Вт на частоте 2 МГц и при точном согласовании генератора с нагрузкой. В невозмущенной плазме средней зоны газоразрядного пространства между индуктором и местом крепления ИОС были размещены радиально подвижные имитатор плоского пристеночного зонда диаметром 1,5 мм в торце керамического стержня диаметра 5 мм (фиг. 1) и классический цилиндрический зонд Ленгмюра в виде вольфрамовой нити диаметром 0,15 мм и длиной 10 мм при диаметре первого зондодержателя 1,6 мм. Измерительные зонды имели рядом расположенные внешние опорные зонды с развитыми поверхностями. Отметим, что специальными опытами была установлена однородность параметров изучаемой плазмы от середины газоразрядного пространства до места установки ИОС. Поэтому результаты экспериментов в средней части газоразрядного пространства имеют прямое отношение к плазме, контактирующей с ИОС. У имитатора плоского пристеночного зонда площадь керамической поверхности, окружающей плоский зонд, превосходила площадь его собирающей поверхности примерно в 12 раз. Следовательно, такое окружение способствовало образованию на торце керамического стержня 1 стационарного переходного слоя, моделировавшего влияние контактирующей с плазмой стенки. Отметим, что в данном эксперименте использовался двухканальный керамический стержень 1, торец которого имел нежелательную азимутальную неравномерность керамического окружения плоского зонда 4. Сглаживанию этой неравномерности помогала развитая поверхность опорного зонда 2, которая вместе с торцом керамического стержня 1 способствовала образованию перед плоским зондом 2 практически равномерного стационарного переходного слоя, имитировавшего плазменную среду перед эмиссионным электродом ИОС ВЧИД.

Вольт-амперные характеристики зондов регистрировались и обрабатывались зондовой станцией Plasma Sensors VGPS-12 (США) [3], которая использует эффективную, многоступенчатую технологию устранения искажений зондовых характеристик от различных внешних воздействий, включая ВЧ электромагнитное поле.

С помощью классического цилиндрического зонда было измерено радиальное распределение перечисленных выше свойств невозмущенной плазмы. Корректность этих измерений была подтверждена специальными экспериментами с использованием зондов различных длин. Анализ полученных результатов показал, что при указанных выше параметрах разряда невозмущенная стенкой ксеноновая плазма оказалась близка к максвелловской среде с «инженерной» точностью.

Радиальные распределения плотности ионного тока на имитатор плоского пристеночного зонда под плавающим потенциалом были найдены согласно пп. 1, 3 и 4 заявленного способа, т.е. путем линейных экстраполяций к плавающим потенциалам ионных ветвей линейных и полулогарифмических зондовых характеристик. Пункт 2 данного способа для имитатора плоского пристеночного зонда не мог быть использован, потому что возмущение плазмы стенкой заметно отдалило ее ФРЭЭ от максвелловской функции. Что касается цилиндрического зонда, то п. 2 оказался для него вполне существенным в силу близости ФРЭЭ окружающей плазмы к максвелловскому распределению.

Пример обработки полулогарифмической зондовой характеристики плоского зонда с ионной ветвью 1, начальным участком электронной ветви 2 и линией 3, обозначающей плавающий потенциал Vf=2,35 В, представлен на фиг. 2. Данная характеристика была зарегистрирована в средней части газоразрядного пространства, в радиальной позиции r=30 мм и при падающей мощности ВЧ генератора Рг=200 Вт. Видно, что линейная экстраполяция ее ионной ветви прямой линией 4 к плавающему потенциалу 3 показала плотность ионного тока на плоский зонд jif≈9,7 мА/см2.

Такая обработка применялась ко всем экспериментальным данным. Пример результатов для Рг=200 Вт представлен на фиг. 3. Здесь радиальное распределение плотности ионного тока на плоский зонд представлено кривой 1. Для сравнения здесь приведены аналогичные данные 2 по классическому цилиндрическому зонду в невозмущенной плазме. Видно, что плотность ионного тока на имитатор пристеночного плоского зонда оказалась в среднем около 2,5 раз ниже показаний классического зонда, полученных с помощью п. 2 заявленного способа. Очевидно, что такое различие обусловлено влиянием стационарного переходного слоя в контакте с плоским зондом, снизившего ионизационное равновесие плазмы и превратившего ее в немаксвелловскую среду.

Таким образом, реализация данного предложения позволила достаточно уверенно определить количество ионов ксенона, которые поступят в ускорительные ячейки ИОС ВЧИД, не прибегая к разработке и изготовлению модели эмиссионного электрода со встроенным в нее набором плоских пристеночных зондов Ленгмюра. Конструкция такой модели весьма сложна, поэтому реализация заявленного предложения резко снизила стоимость и затраты времени на проведение такого исследования.

Источники информации

1. B. Lenz, R.J. Walter, H. Loeb, Plasma diagnostic contributions to advanced RIT-engines, AIAA paper No. 76-1012, 1976, 10 pp.

2. T. Meziani, P. Colpo, F. Rossi, Design of a magnetic-pole enhanced inductively coupled plasma source, Plasma Sources Sci. Technol., 2001, v. 10, p. 276-283.

3. См. сайт www.plasmasensors.com, где представлена VGPS Probe System.

1. Способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку путем регистрации пространственного распределения в прилегающей плазме электрических параметров подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра с последующей обработкой результатов измерений, отличающийся тем, что эти измерения проводят подвижным имитатором пристеночного зонда Ленгмюра, а в качестве его электрических параметров регистрируют полные зондовые вольт-амперные характеристики.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае бесстолкновительной плазмы с функцией распределения электронов по энергиям, близкой к максвелловской, стандартной обработкой зондовых характеристик определяют электронную температуру Те, потенциал пространства Vs, плавающий потенциал Vf и плотность тока электронного насыщения с последующим умножением последней на больцмановскую экспоненту exp[-(Vs-Vf)/Te], где потенциалы и температура электронов выражены в одинаковых единицах.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае немаксвелловской плазмы обработку зондовых характеристик проводят линейной экстраполяцией к плавающему потенциалу плазмы ионных ветвей полулогарифмических зондовых характеристик с логарифмическим представлением величин зондового тока.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае немаксвелловской плазмы обработку зондовых характеристик проводят линейной экстраполяцией ионных ветвей линейных характеристик к плавающему потенциалу плазмы.

5. Устройство для определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку, содержащее веденный в газоразрядное плазменное пространство подвижный одиночный плоский зонд Ленгмюра с собирающей поверхностью в виде проволочного торца, отличающееся тем, что его зондовая проволока введена в один из каналов многоканального керамического стержня с фиксацией измерительного торца проволоки заподлицо с торцом керамического стержня, внешний диаметр которого выбран так, чтобы площадь керамической поверхности, окружающей измерительный торец проволоки, превышала площадь собирающей поверхности зонда в десять и более раз, в другом канале стержня размещен дополнительный проводник, подключенный к внешнему опорному электроду с развитой собирающей поверхностью, охватывающему керамический стержень около его измерительного торца, а на противоположном конце керамического стержня оба проводника выведены из его каналов и подключены к регистрирующей аппаратуре.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в случае работы с высокочастотной плазмой поверхность керамического стержня в промежутке между опорным электродом и стенкой газоразрядной камеры окружена заземленным металлическим экраном, не имеющим электрического контакта с этим электродом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области плазменно-дуговой обработки. Способ обеспечения увеличенного срока службы электрода в плазменно-дуговой горелке содержит термоциклирование электрода, имеющего корпус с первым концом и вторым концом и имеющего удлиненный эмиттер, установленный внутри полости в поверхности первого конца корпуса электрода, во время эксплуатации плазменно-дуговой горелки посредством эмитирования плазменной дуги из эмиттера и охлаждения эмиттера.

Изобретение относится к плазменному прерывателю тока и может быть использовано, например, при создании мощных импульсных источников питания для сильноточных ускорителей заряженных частиц, плазменных диодов.

Изобретение относится к плазменным ускорителям с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, применяемым в качестве стационарных плазменных двигателей в составе электроракетных двигательных установок.

Изобретение относится к области плазменной технологии, в частности к способам стабильного возбуждения газового разряда при высоком и низком давлении, используемым для получения излучения в газоразрядных лазерах, плазмотронах .

Изобретение относится к плазменному прибору с разрядной трубкой, включающему сменную разрядную трубку и портативный корпус, в который может устанавливаться трубка.

Изобретение относится к внутреннему колпачку для плазменной горелки с жидкостным охлаждением. Внутренний колпачок для плазменной горелки с жидкостным охлаждением содержит по существу полое тело, имеющее продольную ось, первый конец и второй конец, причем первый конец включает в себя кольцевую область, выполненную с возможностью расположения в непосредственной близости от вершины плазменной горелки; проход для жидкости, выполненный в теле и имеющий форму, обеспечивающую возможность транспортировки через него жидкости, причем проход для жидкости включает в себя первую группу проемов, выполненных в кольцевой области; и проход для газа, выполненный в теле и имеющий форму, обеспечивающую возможность транспортировки через него газа, причем проход для газа включает в себя вторую группу проемов, выполненных в кольцевой области, причем кольцевая область выполнена таким образом, что подгруппы проемов в первой группе проемов направляют жидкость в радиальном направлении относительно продольной оси и чередуются в окружном направлении вокруг продольной оси с подгруппами проемов во второй группе проемов, которые направляют газ в направлении, по существу параллельном продольной оси.

Изобретение относится к физике низкотемпературной плазмы и плазмохимии, к электротехнике и электрофизике, а именно к ускорительной технике. Способ синтеза нанодисперсного нитрида титана осуществляют путем распыления электроразрядной плазмы титана коаксиального магнитоплазменного ускорителя с титановыми электродами в камеру-реактор, заполненную газообразным азотом при атмосферном давлении, при этом синтез ведут в камере-реакторе объемом от 0,022 м3 до 0,055 м3 и от 0,057 м3 до 0,098 м3 при температуре от 0°C до 19°C и от 21°C до 40°C соответственно.

Изобретение относится к плазмотронам, предназначенным для проведения хирургических и физиотерапевтических воздействий на биологическую ткань путем коагуляции, деструкции, испарения и прямого воздействия потоком низкотемпературной плазмы.

Изобретение относится к генераторам плазмы, а именно к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в плазму электрической энергии, и может быть использовано в металлургии для прямого восстановления металлов, в материаловедении для синтеза порошков, в плазмохимии для реализации высокотемпературных химических реакций, в экологии для переработки производственных отходов, а также других областях техники.

Изобретение относится к системам термообработки. Сменный расходуемый компонент для осуществления операции резания или сварки включает в себя корпус и считываемое устройство хранения данных, присоединенное к корпусу или встроенное в корпус, причем устройство хранения данных содержит операционную инструкцию для устройства резания или сварки и выполнено с возможностью считывания внутри горелки для термообработки.

Изобретение относится к средствам определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку. В заявленном способе путем регистрации пространственного распределения в плазме электрических параметров подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра с последующей обработкой результатов измерений, которые согласно предложению проводят имитатором пристеночного зонда Ленгмюра, а в качестве его электрических параметров регистрируют полные зондовые вольт-амперные характеристики. Устройство содержит введенный в газоразрядное пространство подвижный одиночный плоский зонд Ленгмюра, собирающая поверхность зонда выполнена в виде торца проволоки, зафиксированной в керамическом стержне заподлицо с его торцом, площадь которого превышает собирающую поверхность зонда в десять и более раз, стержень снабжен внешним опорным электродом с развитой поверхностью. На противоположном конце керамического стержня оба проводника выведены из его каналов и подключены к регистрирующей аппаратуре. В случае работы с ВЧ плазмой поверхность керамического стержня, примыкающая к опорному электроду, окружена заземленным металлическим экраном. Техническим результатом является повышение точности и надежности определения плотности ионного тока на контактирующую с газоразрядной плазмой твердотельную стенку под плавающим потенциалом, роль которой в высокочастотных ионных двигателях выполняется эмиссионным электродом ионно-оптической системы. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх