Диссертация (1150443), страница 5
Текст из файла (страница 5)
(2.9)В заключение приведем явный вид первых трех компонентов в разложении (2.5)0 ( )1 ( )32=4 3 522 ( ) =8 3 ∫︁1−1[︂∫︁1−12=4 3 [︂∫︁1−1′′ (, )′′ (, ),1+23′′ (, ) +2( )3/2∫︁∫︁∞′′ (,)]︂,∞√]︂′′ (,) (32 − 1).Таким образом, метод плоского одностороннего зонда заключается в измерении значений ′′ (,) при различных ориентациях зонда в плазме и последующем расчете по формулам (2.5) и (2.9) соотетствующих компонентов и ФРИ.
Метод не требует априорной информации о ФРИ - основная формула метода (2.9) верна при любой степени анизотропии плазмы. Способ оценкидиапазона энергий ионов, в котором с необходимой точностью реконструируются компоненты разложения функции распределения по полиномам Лежандра,подробно описан в [76].Представленный метод универсален и с успехом применяется для измерения функции распределения электронов (но при отрицательных потенциалах24зонда) в плазме послесвечения [77], в пучковой плазме при исследовании механизмов релаксации интенсивного пучка электронов по энергии и по импульсу[78] и при исследовании анизотропных астрофизических плазменных объектов[79].2.2.2Описание установки, конструкции зондов и зондового узлаИзмерения ФРИ по энергиям производились в положительном столбе тлеющего разряда в инертных газах и при давлениях 0.02 − 0.2 и впарах в диапазоне 5·10−4 −1 .
Разряд создавался в трубке из кварцевогостекла диаметром 30 и длиной 300 между плоским импрегнированнымкатодом косвенного накала диаметром 11 и молибденовым анодом диаметром 20 (рис. 2.2).Рисунок 2.2 —Разрядная трубка из кварцевого стекла.Узлы экспериментальной установки монтировались внутри вакуумной камеры внутренним диаметром 160 и длиной 0.5.
Общая схема экспериментальной установки представлена на рис.2.3. Для осуществления необходимыхперемещений зонда камера была оборудована соответствующим числом подвижных сильфонных соединений, снабженных микрометрическими винтами с точностью отсчета 0.01.25Рисунок 2.3 —Принципиальная схема экспериментальной установки; 1-кварцеваятрубка, 2-катод, 3-анод, 4-нагреватель, 5-зонд, 6-вакуумная камера, 7-сапфировое окно,8-турбомолекулярный насос, 9-комплекс масс-спектрометрического анализа,10-монохроматор, 11-диафрагма, 12-конденсор, 13-система обработки экспериментальныхданных.Давление газа в вакуумной камере измерялось манометрическим преобразователем ПМТ-6-3 и вакуумметром ВТБ-1, показания ПМТ-6-3 градуировались с помощью масляного манометра.Плавный напуск спектрально-чистых инертных газов в камеру осуществлялся системой редукторов и игольчатого натекателя.
Вакуум в системе создавался магниторазрядным насосом НОРД-250 и турбомолекулярным насосомТМН-500, обеспечивавшими предельное разрежение 10−8 .Ртуть вводилась в трубку методом вакуумной дистилляции. Давлениенасыщенных паров регулировалось температурой термостата, в котором находилась жидкая фаза ртути. Остальная часть разрядной трубки поддерживалась при более высокой температуре. Давление ртути изменялось в диапазоне5 · 10−4 − 1 и контролировалось магниторазрядными датчиками. Верхняяграница давления определялась размерами зондов и условиями применимостибесстолкновительной теории зондового тока.
Разрядный ток изменялся в диа26пазоне 0.05 − 0.5. Оценки толщины призондового слоя показали, что в условиях проведения эксперимента выполняется приближение бесстолкновительногослоя [80],[81] и его толщина много меньше диаметра зонда.Температура катода измерялась − микротермопарами и поддерживалась электронной системой стабилизации на уровне 1000−1500 с точностью±50 . Стабильность эмиссионного тока катода и разрядного тока в процессе измерений при различных давлениях и контролировалась электроннойсистемой стабилизации. Разрядный ток изменялся в диапазоне 0.05 − 0.5.Рисунок 2.4 —Чувствительный элемент зонда и система изменения ориентации плоскогозонда относительно оси разряда: 1-неподвижный корпус, 2-сильфонное соединение,3-поворотная втулка, 4-металлокерамический токоввод, 5-керамический изолятор6-изоляция зонда,Д -диаметрдержателя зонда,З2 3 ,- диаметр зонда.Наибольшей экспериментальной сложностью при измерении ФРИ плоским зондом является необходимость одновременного его вращения и перемещения вдоль оси разряда.
Для решения указанной задачи в плазму через боковуюграницу вводился вращающийся плоский односторонний зонд из танталовойфольги толщиной 30 в виде круга диаметром 0.5 или 0.8 (рис. 2.4). Зондрасполагался на осевой линии разрядной трубки. К зонду приваривался токопровод из танталовой проволоки диаметром 0.1. Токопровод и одна стороназонда защищались специальным алундовым покрытием отожженным в вакууме при температуре 1800 .
Зонд монтировался на трехкоординатной микрометрической дистанционной системе перемещения (рис. 2.4), которая с помощьюсильфонного соединения обеспечивала его пространственную установку с точностью ±0.01 и ориентацию относительно оси симметрии разряда в диапазонеуглов (00 ÷ 1800 ) с шагом 50 и точностью не хуже ±10′′ . Контроль ориентацииплоскости поверхности зонда осуществлялся окуляр - микрометром.Для измерения коэффициентов разложения ФРИ по полиномам Лежандра регистрировались вторые производные зондового тока ′′ , полученные ра27диотехническим методом двойной модуляции потенциала зонда с использованием техники фазового детектирования.
Управление экспериментом, регистрациявторых производных и обработка экспериментальных данных осуществляласьс помощью измерительно-вычислительного комплекса на базе персональногокомпьютера [76], блок-схема которого приведена на рис.2.5 Схема зондовых измерений представлена на рис.2.6Рисунок 2.5 —Блок-схема для измерения второй производной зондового тока: УУ -узкополосной усилитель; ГВЧ - генератор высокой частоты; СД - синхронный детектор.Рисунок 2.6 —Схема зондовых измерений: 1-3 - синхронные детекторы; 4 - задающийгенератор; 5 - плоский односторонний зонд; 6, 7 - анод и катод разрядной трубки.28Постоянное напряжение на зонд подается от управляемого источника постоянного напряжения, в качестве дифференцирующего сигнала используется100% модулированное напряжение () = △(1 + cos 1 ) cos 2 , которое отгенератора ГЗ-101 через трансформатор вводится в зондовую цепь.
Частота1 была выбрана равной 1 , частота 2 - 100 . Сигнал с сопротивления поступает на вход узкополосного усилителя У2-6. настроенного на частоту 1 . Усиленный сигнал попадает на синхронный детектор КЗ-2, опорное напряжение для которого вырабатываются генератором ГЗ-101.
Сигнал второйпроизводной зондового тока и постоянное напряжение зонда регистрируютсяцифровыми вольтметрами и передаются на ПК. По окончании цикла измерений производится вывод информации из ПК на печатающее устройство илив память. Специализированное программное обеспечение и радиотехническаяэлементная база, позволили проводить цифровую регистрацию данных, получаемых в стационарных и импульсных режимах, а также их комплексную обработку программными средствами в реальном масштабе времени.Применение цифровой регистрации существенно увеличило точность ичувствительность метода диагностики, повысило достоверность результатов исследований.Экспериментальная установка и метод измерения второй производной зондового тока по потенциалу зонда более детально описаны в [71],[78].
Формировался модулирующий сигнал вида(2.10) () = △(1 + cos 1 ) cos 2 .Аппаратная функция метода имеет вид [82]:8() =√где =∫︁[︃1||√2 22 −28]︃1/2(1 − )√ при|| < 2 2(2.11)√() = 0 при|| > 2 2,2(′ −);△амплитуда дифференцирующего сигнала равна △.Учет аппаратных искажений, выбор оптимальных амплитуд дифференцирующего сигнала △ и контроль линейности системы регистрации проводил29ся по методике [82],[83].
Использовались значения △ = 0.05; 0.1 и 0.2 ; 1 =6 · 103 ; 2 = 6 · 105 .В области отрицательных потенциалов зонда величина ′′ определяетсяэлектронной составляющей зондового тока и пропорциональна функции распределения электронов по скоростям. Как уже говорилось, в исследуемом диапазоне потенциалов 0 − 1 ′′ , в основном, описывает распределение ионов.При регистрации ′′ особое внимание уделялось стабилизации электронного тока разряда.
Вполне ясно, что возможная регистрация части электронного токавнесла бы в данные по ′′ существенные систематические ошибки, которые проявились бы при сравнении экспериментальных данных и расчета. Например,учитывая температуру электронов в условиях эксперимента, в виде растущейпри увеличении энергии функции распределения ионов в диапазоне 0.1 − 1(чего в экспериментальных данных, как будет видно в дальнейшем, не наблюдается).Для точной реконструкции ФРИ выполнен детальный анализ факторов,влияющих на результаты зондовых измерений [84].
Приняты меры для исключения искажений, возникающих при измерении ФРИ из-за конечной проводимости плазмы [80],[85],[86]. С этой целью в трубку на расстоянии 20 и 25 откатода впаивались: плоский односторонний зонд, в качестве опорного, и сферический зонд диаметром 0.3 для контроля точности реконструкции изотропной компоненты ФРИ 0 . В процессе измерений отсутствие искажающеговлияния колебаний контролировалось путем регистрации ′′ при выключенномдифференцирующем сигнале.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
