Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Курсовая работа на тему:

«Измерение характеристик плазменного пучка с помощью зонда Ленгмюра»

Выполнил: студент ФФ 12351 группы

Горн Александр Андреевич

Проверил:_______________________

Новосибирск

2013

Оглавление

1. Аннотация 3

2. Введение 3

2.1. Установка ГОЛ – 3 3

2.2. Перспективы изучения плазмы 3

3. Теоретическая часть 4

3.1. Характеристика плазмы 4

3.2. Конструкция и принцип действия Ленгмюровских зондов 5

4. Схема эксперимента 8

4.1. Измерения 8

4.2. Схема и подключение зонда 10

5. Данные 11

5.1. Калибровка и обработка 11

5.2. Систематизация и выводы 11

1. Аннотация

В данной работе с помощью зонда Ленгмюра были исследованы и систематизированы характеристики (плотность и температура) плазменного пучка, полученного на установке ГОЛ – 3 ИЯФ.

1. Введение

   1. Установка ГОЛ – 3

Предназначение

Установка ГОЛ-3 была создана для изучения важных физических проблем, связанных с созданием термоядерной плазмы с помощью нагрева электронным пучком и ее удержанием в длинных многопробочных магнитных системах открытого типа. В числе исследуемых вопросов - пучковый нагрев плотной плазмы, многопробочное удержание ионной компоненты плазмы, продольные потери энергии за счет электронной теплопроводности, стеночное удержание плотной плазмы, использование плазмы тяжелых элементов для создания лазеров в ультрафиолетовом диапазоне, исследование эрозии и модификации твердотельных материалов при воздействии мощных плазменных и электронных потоков.

1. Перспективы изучения плазмы

Исследования по физике пучков в плазме

• Исследование генерации суб-ТГц излучения плазмы (с ЛПИМТИ НГУ)

• Эксперименты с длинноимпульсным электронным пучком (~10 МВт, ≈100 мкс)

Продвижение к термоядерной энергетике

• Работы в поддержку открытой ловушки нового поколения ИЯФ

• Испытания конструкционных материалов для будущего т/я реактора

Развитие экспериментальной техники и технологий

• Электронные пучки ~ 100 кэВ 10 ÷ 100 МВт, длительностью ~ 1мс

• Атомарные пучки для ГОЛ-3 (1÷1,5 МВт, длительностью ~ 1мс)

• Новая быстрая электроника для систем регистрации

• Новые и улучшенные методики измерения параметров плазмы

1. Теоретическая часть

   1. Характеристика плазмы

Температура

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объёма (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объёма, а число частиц в единице объёма). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n₀. В горячей плазме n₀ мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

1. Конструкция и принцип действия Ленгмюровских зондов

Определение

Зонд Ленгмюра — устройство, используемое для диагностики плазмы. Зондовый метод был впервые предложен Ирвингом Ленгмюром в 1923 году. Этот метод основан на измерении плотности тока заряженных частиц на помещенный в плазму электрический проводник в зависимости от его потенциала. Соответствующая кривая называется зондовой вольтамперной характеристикой. Наибольшее распространение при исследованиях получили цилиндрический, сферический и плоский зонды.

Конструкция

Проводящая часть зонда, находящаяся в плазме, может быть выполнена из любого металла. Выбор металла определяется прежде всего свойствами среды, в которую он помещен, и характеристиками изолятора, с которым он имеет механический контакт. Этим металлом может быть, например, молибден, вольфрам, а в случае химически агрессивной среды — золото, платина. Изолирующая часть зонда изготавливается из стекла, кварца или различных типов керамики. Типичным для цилиндрического зонда является диаметр от 10^-3 до 10^-1 см, для сферического, 10^-2—10^-1 см, при этом длина той части цилиндрического зонда, которая непосредственно собирает заряженные частицы, составляет 10^-1—1 см (указанные размеры зависят от параметров плазмы). Зондовый метод является контактным методом диагностики. С этим обстоятельством связано одно из его преимуществ, а именно локальность определения параметров плазмы. В то же время контактный характер измерений приводит к возмущению плазмы в некоторой области около зонда. Характерные размеры такой области определяются дебаевским радиусом экранирования и, как правило, оказываются существенно меньше размеров плазменного объема. Так, при концентрации заряженных частиц 1012 см^-3 и температуре электронов 1 эВ дебаевский радиус имеет порядок 10^-3 см, что, как видно, позволяет проводить зондовые измерения и в плазме малых линейных размеров.

Принцип действия

Электрическое поле, возникающее при подаче на зонд напряжения, меняет характер движения заряженных частиц вблизи него и их плотность. Зонд, работающий в режиме отталкивания частиц одного сорта, например электронов, создает вокруг себя область, где плотность частиц другого сорта выше, чем в окружающей невозмущенной плазме. Легче всего оценить размеры этого переходного слоя при больших разностях потенциала между зондом и плазмой. Тогда можно считать, что переходный слой работает как диод, ток в котором ограничен полем пространственного заряда собираемых зондом частиц. На внешнюю границу слоя поступает поток частиц, равный по порядку величины тепловому - . Толщина слоя при изменении напряжения подстраивается под эту плотность тока, следуя закону ''трех вторых’’:

,

где m - масса частиц, d - размер слоя.

Самым простым является случай, когда толщина слоя пространственного заряда вокруг зонда мала по сравнению с его характерным размером. Тогда задача о нахождении тока на зонд в зависимости от потенциала на нем становится фактически одномерной.

Если зонд находится под большим отрицательным потенциалом по отношению к окружающей плазме, то электроны не могут попасть на зонд. В этом случае все ионы, попадающие на внешнюю границу слоя, попадают на зонд, и плотность тока на него не зависит от потенциала и равна ионному току насыщения. Если же потенциал на зонде положительный и достаточно большой (чтобы ионы не могли попасть на него), все электроны, попадающие на границу слоя, собираются зондом и плотность тока равна электронному току насыщения. Плотность электронного тока насыщения равна

.

В реальных условиях насыщение чаще всего отсутствует, в особенности это касается электронной части характеристики зонда. Причин тому может быть несколько, в частности, с ростом потенциала на зонде увеличивается толщина слоя и эффективная площадь собирающей поверхности зонда. По мере уменьшения отрицательного потенциала на зонде ток ионов на 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 на зонд оказывается равным нулю. При этом говорят , что зонд находится под плавающим потенциалом (U_p) по отношению к плазме. Именно этот потенциал приобретает помещенное в плазму изолированное тело. Его величина определяется балансом ионного тока насыщения

,

и тока электронов

с энергиями, превышающими потенциальный барьер eU_p. Принимая температуры ионов и электронов равными, получаем отсюда следующую оценку плавающего потенциала одиночного зонда в водородной плазме:

3.8 T/e.

1. Схема эксперимента

   1. Измерения

Во многих установках для измерения плотности и темературы электронов применяют тройные ленгмюровские зонды. Привлекательной особенностью таких зондов является возможность одновременного определения указанных величин сравнительно простым способом, не требующим измерения вольтамперной характеристики зонда, более того, вообще не меняя напряжений на электродах зонда. Такой зонд имеет три одинаковых, близко расположенных электрода.

Два из них включаются по схеме двойного зонда, причем величина поданного напряжения выбирается из условия, чтобы двойной зонд работал в режиме насыщения. Третий электрод является плавающим. Н а рисунке изображена примерная вольт-амперная характеристика одиночного зонда и потенциалы электродов тройного зонда. Между парой электродов, образующих двойной зонд (электроды 1 и 2), прикладывается потенциал, много больший T_e/e. При этом электрод 1, находящийся под отрицательным потенциалом, отталкивает все электроны и ток на него равен ионному току насышения. На электрод 2 потенциал которого по отношению к плазме также отрицателен, идет тоже ионный ток насыщения и вдвое больший электронный ток. При этом суммарный ток на оба электрода зонда равен нулю, как того требует уравнение непрерывности для стациона-рных условий. Потенциал электрода 3 можно найти из соотношения

.

Зонд 3 находится под плавающим потенциалом и, следовательно,

.

Измеряя разность потенциалов между зондами 2 и 3, можно определить электронную температуру из соотношения . Зная электронную температуру и ток насыщения двойного зонда 1-2, можно найти плотность плазмы.

1. Схема и подключение зонда

Конструкция используемого в эксперименте зонда показана на рисунке:

Важной особенностью конструкции зонда является то, что каждый электрод зонда может прокаливаться до достаточно высокой температуры путем пропускания по нему тока. В процессе измерений электроды зонда и измерительная схема "плавают" вместе с изменяющимся во времени потенциалом плазмы. Часто для гальванической развязки от регистрирующей аппаратуры применяются оптронные преобразователи с малой проходной емкостью ( 0.25 пф). Это позволяет избежать влияния помех, вызываемых высокочастотными колебаниями потенциала плазмы.

Зонд подключается к АЦП по следующей схеме:

1. Данные

   1. Калибровка и обработка

1. Систематизация и выводы

Критерии для работы с зондом Ленгмюра

Основные предположения простейшей теории, при выполнении которой можно довольно быстро провести расчет зондовой характеристики, представленные в работах Ленгмюра и Бома, приведены ниже:

• Характерный размер области однородной плазмы много больше длины свободного пробега электрона и иона. Плазма изотропна;

• Средние длины энергетического пробега электронов λ_i велики по сравнению с радиусом зонда r и толщиной призондового слоя h;

• Отсутствуют генерация и рекомбинация заряженных частиц в слое около зонда;

• В плазме отсутствует магнитное поле;

• Держатель зонда не влияет на характеристики плазмы и, следовательно, на измерения;

• Отсутствует отражение электронов от зонда и их вторичная эмиссия, не образуется пленки на поверхности зонда в результате химических реакций (что может повлиять на отражение и вторичную эмиссию электронов с поверхности);

• Отсутствуют колебания потенциала плазмы (относительно потенциала опорного электрода);

• Работа выхода электронов с поверхности зонда одинакова в различных точках;

• Потенциал плазмы постоянен на характерных размерах зонда.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы