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 потока плазмы с помощью зонда Ленгмюра»

Выполнил: студент ФФ 12351 группы

Горн Александр Андреевич

Проверил:_______________________

Новосибирск

2013

Оглавление

1. Аннотация 2

2. Введение 3

2.1. Перспективы изучения плазмы 3

3. Теоретическая часть 5

3.1. Характеристика плазмы 5

3.2. Конструкция и принцип действия Ленгмюровских зондов 7

4. Экспериментальные условия 11

4.1. Измерение плотности и температуры с помощью тройного зонда Ленгмюра 11

4.2. Схема подключения зонда 12

5. Данные 15

5.1. Калибровка и обработка 15

5.2. Выводы 17

1. Аннотация

В данной работе была изучена работа тройного зонда Ленгмюра в условиях установки ГОЛ-3 ИЯФ в магнитном поле. С его помощью были исследованы и систематизированы характеристики (плотность и температура) плазменного пучка, полученного на данной установке.

1. Введение

   1. Перспективы изучения плазмы

Термоядерный синтез

В настоящее время изучение плазмы ведется с целью освоения технологии термоядерного синтеза, т.е. конструирования работоспособного термоядерного реактора. Суть термоядерного синтеза заключается в реакции объединения двух легких ядер в одно более тяжелое за счет энергии их теплового движения. Данное явление становится выгодным, если подобрать вещества таким образом, чтобы возникал так называемый «дефект масс», т.е. существовала разница между суммарной массой реагентов и массой конечного продукта реакции, причем положительная. Плазма здесь образуется при нагреве вещества до высокой температуры, необходимой для преодоления реагентами кулоновского барьера.

Установки нового поколения

Проектом ИЯФ в данной области является установка нового поколения ГДМЛ, главная цель которой – разработка термоядерного реактора на основе открытой ловушки. Установка базируется на достижениях своей предшественницы ГДЛ , а также экспериментальных данных с ГОЛ-3.

Последняя 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.

В связи с этим, необходимо измерить параметры плазменного потока, создаваемого ГОЛ-3, учесть его геометрические и качественные особенности, систематизировать данные и предоставить их в отчете, что и является целью выполняемой мной работы.

Способы измерения характеристик плазмы

Выбор способа измерения параметров плазмы в эксперименте пал на зондирование. Электрический зонд (зонд Ленгмюра) имеет преимущество перед другими методами диагностики, такими как: магнитное зондирование, СВЧ излучение, зондирование пучками заряженных или нейтральных частиц и т.д. Оно заключается в простоте его конструкции, относительной легкости в эксплуатации, а также дешевизне изготовления и неплохой точности измерений.

1. Теоретическая часть

   1. Характеристика плазмы

Температура

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше 85 эВ) и высокотемпературную (температура 85 эВ 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.

Также плазма может быть равновесной и неравновесной. 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 значимым 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. Также стоит отметить еще один параметр, которым является плотность нейтральных атомов n0. Зная его, можно говорить о степени ионизации плазмы, которая определяется как α = n_i/(n₀+n_i), где n_i –концентрация ионов.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Влияние магнитного поля на плазму

Чаще всего для удержания плазмы используют магнитное поле, которое в свою очередь оказывает большое влияние на ионы и электроны, содержащиеся в потоке. Особенно важно учитывать воздействие магнитного поля в данной работе, т.к. зонд Ленгмюра, будучи проводником, создающим вокруг себя электрическое поле, меняет траекторию пролетающих вблизи него заряженных частиц.

В связи с этим имеет смысл ввести такие понятия как:

• Радиус Дебая (длина Дебая), расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

• Ларморовский радиус, обозначает радиус кругового движения заряжённой частицы в однородном магнитном поле:

- ларморовский радиус электрона

- ларморовский радиус иона

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

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