Medvedeva (1248221), страница 2
Текст из файла (страница 2)
3). Если же потенциал назонде положительный и достаточно большой (чтобы отталкивались все ионы), тособираются все электроны, попавшие на границу слоя, и плотность тока равнаэлектронному току насыщения:6 je 0 =ene ve.4(2)JJeUpUsUJiРис. 3 Вольтамперная характеристика одиночного зонда Ленгмюра.В реальных условиях насыщение чаще всего отсутствует, в особенности это касаетсяэлектронной части вольтамперной характеристики зонда. Причин тому может бытьнесколько, в частности, с ростом потенциала на зонде увеличивается толщинапереходного слоя и, следовательно, эффективная площадь собирающей поверхностизонда.По мере уменьшения величины отрицательного потенциала на зонде ток ионовна него не меняется и по-прежнему равняется ионному току насыщения.Вместе с тем его теперь могут достичь все больше и больше электронов,преодолевающих потенциальный барьер, так что в какой-то момент суммарный ток назонд оказывается равным нулю.
При этом говорят, что зонд находится под плавающимпотенциалом Up по отношению к плазме. Его величина определяется балансом ионноготока насыщенияji 0 =eni vi4,(3)и тока электроновje =ene ve4⋅e−eUTe.(4)с энергиями, превышающими потенциальный барьер eUp. Считая температуры ионов иэлектронов равными, получаем из (3)-(4) следующую оценку плавающего потенциалаодиночного зонда в водородной плазме:7 Up =TMT⋅ ln≈ 3,8 .eme(5)Двойной зонд Ленгмюра состоит из двух одиночных зондов, между которымиприкладывается напряжение и измеряется ток. Суммарный ток, текущий на оба зонда,равен нулю. Поскольку тепловой ток электронов много больше, чем ионный, тонезависимо от величины поданного между ними напряжения каждый из зондовнаходится под отрицательным потенциалом по отношению к окружающей плазме.Отсюда следует, что на каждый зонд идет ионный тепловой ток насыщения (3).
Чтокасается электронов, то они собираются в режиме отталкивания, так что плотностьэлектронного тока на зонды, соответственно,enve ⋅ e −eU1 / Te4(6)enve ⋅ e −eU 2 / Te ,4(7)игде U 1 ,U 2 - потенциалы зондов. Предполагая, что площадь собирающей поверхностизондов одинакова, запишем ток, текущий в цепи между зондами так:enen⎛ en⎞⎛ en⎞J = S ⋅⎜vi −ve ⋅ e −eU1 / Te ⎟ = S ⋅ ⎜ve ⋅ e −eU 2 / Te −vi ⎟ .44⎠⎝ 4⎠⎝ 4(8)Примем во внимание, что полный ионный ток на зонды равен электронному, т.е.2 ji 0 = j e 0 ⋅ (e − eU1 / Te + e − eU 2 / Te ) .(9)Выразим электронный ток насыщения через ионный и подставим в формулу (8):j ⋅ (e − eU 2 / Te − e − eU1 / Te )2j⎛⎞J = S ⋅ ⎜ j i 0 − −eU / T i 0 −eU / T ⋅ e −eU1 / Te ⎟ = S ⋅ i 0 −eU / Te 1 e +e 2 ee 1 e + e −eU 2 / Te⎝⎠(10)⎛ e(U 1 − U 2 ) ⎞⎟⎟ .J = S ⋅ ji 0 ⋅ th⎜⎜2Te⎝⎠(11)илиВ полученном выражении гиперболический тангенс равен единице, еслиTe << e(U 2 − U 3 )(12)(режим насыщения).Привлекательной особенностью тройного ленгмюровского зонда являетсявозможностьсравнительноодновременногопростымопределенияспособом,нетемпературытребующимиплотностиизмеренияплазмывольтампернойхарактеристики, более того, вообще не меняя напряжений на электродах зонда.
Такой8 зонд имеет три одинаковых, близко расположенных электрода. Два из них включаютсяпо схеме двойного зонда, причем величина поданного напряжения выбирается изусловия (12), чтобы двойной зонд работал в режиме насыщения. Третий электродявляется плавающим. Для пояснения принципа измерений обратимся к рис.
4, накотором изображена примерная вольтамперная характеристика одиночного зонда ипотенциалы электродов тройного зонда. Рис. 4 Потенциалы на электродах тройного ленгмюровского зонда.Электроды 1 и 2 образуют двойной зонд, при этом электрод 1, находящийся подотрицательным потенциалом, отталкивает все электроны и ток на него равен ионномутоку насыщения. На зонд 2 (см. рис. 4), потенциал которого по отношению к плазметакже отрицателен, идет ионный ток насыщения и вдвое больший электронный ток.Суммарный ток на оба электрода зонда равен нулю, как того требует уравнениенепрерывности для стационарных условий. Потенциал зонда 2 можно найти изсоотношения2⋅enenvi =ve ⋅ e −eU 2 / Te .44(13)Электрод 3 находится под плавающим потенциалом и, следовательно,enenvi =v e ⋅ e − eU 3 / Te44.(14)Измеряя разность потенциалов между зондами 2 и 3, можно определить электроннуютемпературу из соотношенияTe = e( U 2 − U 3 ) / ln 2.(15)Зная электронную температуру и ток насыщения двойного зонда 1-2, можнонайти плотность плазмы из формулы (11) с учетом (12).
В качестве скорости в ионном9 токе насыщения используется тепловая скорость, а температуры ионов и электроновсчитаются одинаковыми.Однако только в случае больших отрицательных потенциалов по отношению кплазме можно считать распределение электронов вблизи зонда максвелловским и чтоплотность их следует больцмановскому распределению. Оценка для величины ионноготока с учетом переходного слоя и соответствующего изменения распределенияпотенциала вблизи зонда была получена Бомомji 0 = eni ⋅ e−12⋅TeT≈ 0.6eni e .MM(16) 1.2.
Конструкция и схема включения зондаТройной зонд, использовавшийся на установке ГОЛ-3, состоит из трехвольфрамовых проволочек диаметром 0,5 мм, каждая из которых помещена вкварцевый капилляр. Все три капилляра, в свою очередь, расположены внутрикапилляра большего радиуса (рис. 5). Диаметр расширителя в сечении, проходящемчерез точку крепления зонда, равен 100 см. Длина зонда составляет 20 см, площадьсобирающей поверхности равна 1,5·10-2 см2. Рис.
5 Тройной ленгмюровский зонд.Для изменения положения зонда требовалось бы вскрытие вакуумной камерыГОЛ-3 и следующая за этим откачка, что требует длительного времени и остановкиработы. Поэтому необходимо было создать подвижный блок крепления, позволяющийменять положение зонда без нарушения вакуума. Для перемещения зонда вдольрадиуса установки использовался разъем Вильсона.
За изменение угла зонда поотношению к оси установки отвечает сильфонное соединение, положение которогофиксируется с помощью металлических скоб, проградуированных на изменение углазаданной величины.10 Рис. 6 Механизм позиционирования зонда. Измеряя плавающий потенциал зонда и используя формулы (15)-(16), можнонайти температуру плазмы. Однако практически измерить плавающий потенциалнепросто, поскольку само плазменное образование находится под некоторымпотенциалом относительно земли установки (до десяти киловольт). Поэтому быларазработана следующая электрическая схема включения тройного зонда (см.
рис.7).Электроды 1 и 2 включаются по схеме двойного зонда, на них подаетсянапряжение 45 В (поскольку измеряемая температура порядка десяти вольт, то притаком напряжении зонд работает в режиме насыщения). Электрод 3 находится подплавающим потенциалом. Сигналы от электродов 1 и 3 проходят по двумкоаксиальным кабелям, электрод 2 подключен к земле.
АЦП питается аккумулятором,и сигналы с него передаются на компьютер по оптической линии связи, в результатечего осуществляется гальваническая развязка. 11 Рис. 7 Схема включения тройного зонда. 1.3. Особенности работы зонда на установке ГОЛ-3В реальных условиях существует ряд побочных явлений, которые могутисказить результаты зондовых измерений и затруднить интерпретацию их.
Большиетоки в плазме, связанные с методом ее формирования, приводят к возникновениюзначительного потенциала в точке измерения относительно вакуумной камеры. Прибольших потоках мощности может иметь место поверхностный перегрев зонда и егоразрушение. Вольтамперная характеристика (см. рис.3) искажается из-за загрязненияповерхности, эмиссии электронов с электродов, нарушения бесстолкновительногоприближения, анизотропии функции распределения частиц. Кроме того, великовлияние магнитного поля. Рассмотрим последовательно вклад этих побочных явлений.В очень сильном магнитном поле эффективная длина свободного пробегапоперек поля, по порядку равная ларморовскому радиусу соответствующего сортачастиц λ⊥~ρL, мала (особенно для электронов ρe = 200 мкм), бесстолкновительнаятеория не «работает», зонд любой формы действует какплоский и площадь егоповерхности равна площади сечения, перпендикулярного к направлению поля.
Однакос возрастанием магнитного поля может стать существенным обеднение плазмы вцилиндрической области, торцом которой является зонд. Это связано с тем, чточастицы из этой области быстро уходят на зонд, а диффузия из соседних областейзатруднена благодаря магнитному полю. Поэтому в настоящее время можнообосновать возможность применения зондов при наличии магнитного поля только в не12 очень сильных магнитных полях, а именно когда ларморовский радиус для ионовмного больше размеров зонда. Для расширителя ГОЛ-3 его величина порядка ρi = 1 см.В этом случае магнитное поле не влияет на ионную часть характеристики и можноиспользовать классическую теорию Ленгмюра.Эмиссия электронов из зонда может быть вызвана ударами положительныхионов, метастабильных атомов и фотонов. Это приводит к завышению ионного токапри отрицательных потенциалах зонда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
