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

Текст из файла

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.И. Давыденко, А.А. Иванов, Г. Вайсен

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

Лекции для студентов физического факультета

Часть I

НОВОСИБИРСК

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 5

Глава 1. Зондовые методы исследования плазмы 6

§1.1. Формула Дрювестейна 16

§1.2. Двойные ленгмюровские зонды 19

§1.3. Тройные ленгмюровские зонды 21

§1.4. Многосеточные зонды 23

§1.5. Задачи 26

Библиографический список 28

Глава 2. CВЧ-диагностика плазмы 28

§2.1. Интерферометрия плазмы в СВЧ-диапазоне 37

§2.2. Рефлектометрия плазмы в СВЧ-диапазоне 43

§2.3. Циклотронная СВЧ-диагностика температуры 45

§2.4. Резонаторные методы 47

§2.5. Аппаратура для СВЧ-диагностики плазмы 48

§2.6. Задачи 54

Библиографический список 55

Глава 3. Пассивная корпускулярная диагностика 57

§3.1. Анализ частиц по энергиям и импульсам 60

§3.2. Электронно-оптические элементы, используемые

в диагностической аппаратуре 66

§3.3. Регистрация потоков частиц 70

§3.4. Анализаторы атомов низких энергий 77

§3.5. Задачи 80

Библиографический список 80

Глава 4. Активная корпускулярная диагностика 81

§4.1. Резерфордовское рассеяние пучка быстрых

атомов 87

§4.2. Многохордовое ослабление пучка 91

§4.3. Диагностические инжекторы пучков быстрых

атомов 94

§4.4. Активная диагностика плазмы пучками ионов 99

§4.5. Спектроскопия с применением атомарных пуч-

ков 102

§4.6. Задачи 104

Библиографический список 105

Глава 5. Диагностика флуктуаций плотности плазмы

по рассеянию электромагнитного излучения 106

§5.1. Распространение волн в однородной прелом-

ляющей среде 106

§5.2. Диагностики, основанные на коллективном

рассеянии 113

§5.3. Методы просвечивания 116

§5.4. Методы оптической фильтрации для слабо

преломляющей среды 121

§5.5. Измерения флуктуаций с использованием

фазового контраста в токамаках 136

§5.6. Задачи 142

Библиографический список 147

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные методы диагностики плазмы чрезвычайно разнообразны. В их основе заложены явления и законы, относящиеся к различным областям физики. Не удивительно, что экспериментальная техника, используемая в различных диагностиках, также чрезвычайно разнообразна. Можно, пожалуй, сказать, что диагностика плазмы опирается практически на весь технический арсенал современной экспериментальной физики. Поэтому представляется затруднительным достаточно подробно описать в одном курсе лекций все существующие методы диагностики плазмы.

В данном конспекте лекций, которые один из авторов (А.А. Иванов) в течение ряда лет читал студентам кафедры физики плазмы НГУ, представлены в основном методы диагностики плазмы, которые условно можно назвать «неоптическими». Только в главе 5, написанной Г. Вайсеном (университет г. Лозанна, Щвейцария), рассмотрены оптические методы диагностики возмущений плотности в плазме.

Более последовательно оптические методы диагностики представлены в специальном курсе лекций, который читается студентам отдельно.

Учитывая отмеченные особенности курса, авторы ограничились, в основном, изложением на качественном уровне именно физических основ различных методов диагностики плазмы. При этом уровень изложения не выходит за рамки университетского курса общей физики, читаемого в НГУ на первых трех курсах студентам физического факультета.

Приносим искреннюю благодарность Е.Д. Бендеру за помощь в оформлении иллюстративного материала к лекциям и И.А. Котель-никову за рецензирование рукописи и полезные замечания и предложения, способствовавшие улучшению качества изложения материала.

Глава I. ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПЛАЗМЫ

Впервые стал применять зонды для исследования плазмы Ленгмюр (Langmuir) в 1924 г. [1]. Относительная простота конструкции зондов Ленгмюра и большой объем получаемой информации делает этот метод измерений одним из важнейших. Следует отметить, что зондовые методики широко используются для измерения параметров околоземной плазмы (n  10⁶ см^-3), плазмы газовых разрядов (n ~ 10⁸ - 10¹⁶см^-3), периферийной плазмы крупных токамаков (n ~ 10¹³ - 10¹⁵см^-3) и т.д.

В простейшем варианте этой методики измеряется зависимость тока на зонд от приложенного к нему напряжения, т.е. измеряется вольт-амперная характеристика зонда. Анализ этой характеристики в общем случае представляет собой сложную многопараметри-ческую задачу. Начнем с качественного ее рассмотрения, а затем получим некоторые количественные соотношения между током на зонд и поданным на него напряжением, пригодные в общем случае.

Одиночные зонды можно разделить на несколько видов в зависи-мости от формы его собирающей поверхности. Наиболее часто встречаются зонды, представленные на рис.1.

Ц
илиндрические зонды (рис.1, а, б), наиболее просты в изгото-влении и поэтому применяются чаще других. Кроме того, их можно прогревать до достаточно высокой температуры, пропуская по зондовой проволоке ток. Этот прогрев до температуры порядка 1000 ⁰С очищает поверхность зонда от различных диэлектрических пленок, которые мешают измерениям.

Рис. 1. Примерные конструкции одиночных ленгмюровских зондов: а, б – цилиндрические зонды; в – сферический зонд; г –

плоский зонд

Важнейшие параметры, от которых зависит поток частиц на зонд, это характерный размер зонда (чаще всего радиус) a, длина свободного пробега частиц (в см)

;

дебаевский радиус

;

ларморовские радиусы электронов и протонов

и

(в водородной плазме). Характер движения частиц по направлению к зонду зависит от безразмерного числа Кнудсена

,

отношения электронной и ионной температур , а также отношения размеров переходного слоя вблизи поверхности зонда к длине свободного пробега и ларморовским радиусам частиц.

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 окру-жающей 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 пространс-твенного заряда собираемых зондом частиц. На внешнюю границу слоя поступает поток частиц, равный по порядку величины тепло-вому - . Толщина слоя при изменении напряжения подстраи-вается под эту плотность тока, следуя закону ''трех вторых’’:

,

где m - масса частиц, d - размер слоя.

Приведем для справок практические формулы для ионного и электронного тока плоского диода, в котором ток ограничен пространственным зарядом:

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 одно-мерной.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика одиночного зонда Ленгмюра

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 (рис. 2). 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 осо-бенности 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 преобретает 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.

Величина плавающего потенциала одиночного зонда зависит, вообще говоря, от соотношения электронной и ионной температур. Более точные расчеты в случае, когда дают значение .

Измеряя плавающий потенциал зонда и используя приведенные выше формулы, можно получить информацию о температуре плазмы. Однако практически измерить плавающий потенциал бывает непросто, поскольку часто само плазменное образование находится под некоторым потенциалом относительно земли установки. Если этот потенциал отсутствует, для проведения измерений достаточно соединить зонд с землей через большое сопротивление и измерить падение напряжения на нем – это и будет плавающий потенциал зонда. Для этого необходимо выполнить условие, чтобы сопротивление было много больше , где S – площадь собирающей поверхности зонда.

Следующая характерная точка на вольт-амперной характе-ристике – это потенциал пространства в плазме, где находится зонд. На рис. 2 эта точка принята за ноль потенциала. При этом значении потенциала на зонд идут невозмущенные тепловые токи электронов и ионов. Это означает, что слой пространственного заряда вокруг зонда отсутствует. Производная терпит в этой точке излом, т.е. вторая производная имеет особенность (см. рис. 2). Это легко понять из следующего соображения. При >0 на зонд идут все электроны и часть ионов, преодолевающих потенциальный барьер, поэтому производная . При <0 изменение тока связано с отражением части электронов и , что, разумеется, много больше, чем . Таким образом, если возни-кает задача определения потенциала пространства в плазме, то один из способов заключается как раз в нахождении особенности .

Другой способ состоит в использовании эмиссионных зондов. Зачастую эмиссионный зонд представляет собой одиночный зонд, выполненый в виде проволочной петли, нагреваемой проходящим по ней током до высокой температуры. Температура проволоки должна быть достаточно большой, чтобы плотность термоэмиссионного тока была близка к тепловому току плазменных электронов или даже превосходила его. Тогда эффективная электронная температура плазмы вблизи зонда близка к его темпе-ратуре, которая, в свою очередь (при больших плотностях эмиссионного тока), составляет десятые доли работы выхода электронов из материала проволоки, т.е. величину порядка 0.1эВ. Измерив плавающий потенциал такого эмиттирующего зонда, можно определить потенциал пространства с достаточно высокой точностью, поскольку отличие между ними холодных эмитированных с зонда электронов.

Однако эта методика, очевидно, не может применяться в плотной горячей плазме, в которой плотность теплового электронного тока превосходит макси-мальную плотность термоэмиссионного тока (1-10 A/см²). Это ограничение нарушается уже при T_e = 1эВ и плотности плазмы 10¹²–10¹³см^-3. Проведение измерений в более плотной и горячей плазме требует нагрева зонда до температур, превышающих температуру плавления зонда. На этом принципе основан метод измерений потенциала пространства с помощью взрывающегося зонда (self-emissive probe). Перед началом измерений на зондовую проволоку импульсно подается большой положительный потенциал по отношению к плазме. На зонд течет большой ток энергичных электронов, что приводит к испарению и частичной ионизации материала зонда. Затем измеряется плавающий потенциал такого зонда, а по существу – расширяющегося облачка плотной и холодной металлической плазмы. Ясно, что это можно делать только в течение короткого времени (порядка времени расширения облака или времени его нагрева). Обычно это время составляет порядка 1мс.

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