часть1 (1248229), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Плотность тока на зонд равна

Переходя в этом выражении от интегрирования по к интег-рированию по , используя, что , получаем

т.е. выражение, полностью аналогичное полученному ранее для плоского зонда.

Для дифференцирования зондовых характеристик применяют представленные ниже методы.

1. Дифференцирование с помощью аналоговых радио-технических цепей. Для этого на зонд подается линейно меняющееся во времени напряжение. Взятие производных тока по напряжению проводится либо с помощью дифференцирующих цепочек, либо цифровой обработкой сигнала с зонда на ЭВМ.

2. Метод второй гармоники. В этом методе на зонд подается напряжение, содержащее малую осциллирующую добавку. Ток на зонд имеет вид

Поскольку , выделяя составляющую тока, меняющуюся с удвоенной частотой, можно определить искомую производную.

Применим полученные выше формулы для тока на зонд для случая, когда распределение электронов максвелловское:

.

Ток в этом случае равен

,

где - наиболее вероятная скорость. Для максвелловской плазмы легко найти температуру, построив зависимость напряжения от тока в логарифмическом масштабе

и вычислив тангенс угла наклона получившейся прямой.

§ 1.2. Двойные ленгмюровские зонды

Снятие вольтамперной характеристики предполагает, что напряжение подается на зонд относительно некоторой точки, чаще всего относительно “земли” установки. Вследствие этого экспериментатор сталкивается с трудностями, если в плазме присутствуют большие электрические поля. В этом случае приме-нение находят двойные зодны Ленгмюра. Такой зонд состоит из двух одиночных зондов, между которыми прикладывается напря-жение и измеряется текущий между ними ток. Суммарный ток, текущий на оба зонда, равен нулю. Поскольку тепловой ток элект-ронов много больше, чем ионный, отсюда следует, что независимо от величины поданного между ними напряжения каждый из зондов находится под отрицательным потенциалом по отношению к окру-жающей плазме. Тогда можно заключить, что на каждый зонд идет ионный тепловой ток насыщения . Что касается электро-нов, то они собираются в режиме отталкивания, так что плотность электронного тока на зонды соответственно

и

,

где - потенциалы зондов. Предполагая, что площадь соби-рающей поверхности зондов одинакова, запишем ток, текущий в це-пи между зондами, следующим образом:

.

Рис. 4. Зависимость тока двойного зонда (в ед. J_i0S) от разности потенциалов на элект-родах зонда

Примем во внимание, что полный ионный ток на зонды равен электронному, т.е.

,

где - электронный ток насыщения.

Выразим отсюда электронный ток насыщения через ионный и подставим в формулу для полного тока в цепи двойного зонда. Получившееся выражение имеет вид:

и
ли

Примерная вольт-амперная характеристика двойного зонда представлена на рис. 4. Как видно из выражения для зондового тока, наклон характеристики в точке U = 0 равен

,

так что, зная величину наклона, можно определить температуру плазмы из соотношения:

.

Разумеется, для корректности измерений необходимо, чтобы потенциал плазмы, а также ее плотность и температура мало менялись на расстоянии между электродами двойного зонда.

§ 1.3. Тройные ленгмюровские зонды

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 вольт-амперной 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. Для пояснения принципа измерений

Рис. 5. Потенциалы на элект-родах тройного ленгмюров-ского зонда

обратимся к рис. 5, на котором 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 (см. рис. 5), 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 насы-щения двойного зонда 1-2, можно найти плотность плазмы. Одна из возможных конструкций тройного зонда показана на рис. 6.

Рис. 6. Конструкция тройного зонда для из-мерения плотности и температуры плазмы: 1 - керамическая трубка  2,5-3мм; 2 - кварцевые капилляры  0,3-0,4мм; 3 - вольфрамовая проволока 0,08мм

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

§ 1.4. Многосеточные зонды

Многосеточные зонды применяются для измерения параметров ионной компоненты плазмы. Рассмотренные нами выше зонды для этого использовать практически невозможно из-за большой величины электронного тока на зонд. Примерная конструкция многосеточного зонда приведена на рис. 7.

Рис. 7. Многосеточный зонд для измерения направленных энергий ионов: 1 - 5 сетки; 6 – коллектор; 7 – выводы; 8 – коллимационная трубка

Итак, основная проблема при проведении измерений многосеточными зондами состоит в отделении сопутствующего электроного тока, который, как правило, много больше ионного. Для этого на сетку 4 подается достаточно большое отрицательное напряжение. На сетку 3 подается положительное напряжение для измерения кривой задержки ионного тока на коллектор 6. Сетка 1 находится под отрицательным смещением по отношению к коллектору для запирания вторично-эмиссионных электронов, выбиваемых с его поверхности.

Движение ионов внутри зонда фактически одномерное и ток ионов на коллектор равен

,

где U_з - величина анализирующего напряжения на сетке 3.

Основными источниками ошибок при измерениях подобным анализатором являются следующие:

1. “Провисание’’ потенциала в ячейках анализирующей сетки 3. Величина провисания потенциала зависит отношения диаметра проволочек сетки к расстоянию между ними. Для уменьшения провисания потенциала часто используют двойные или жалюзные сетки.

2. Влияние пространственного заряда ионов. Влияние простран-ственного заряда особенно велико вблизи анализирующей сетки, там где скорости частиц малы и плотность их максимальна.

3. Вторичная эмиссия электронов с коллектора и сеток.

Ограничения, связанные с нагревом зонда

В процессе измерений поверхность зонда подвергается бомбардировке частицами плазмы, что приводит к ее нагреву. Зачастую эти нагрузки оказываются неприемлемо большими, особенно если речь идет о измерениях параметров плазмы в крупных плазменных ловушках.

Если длительность существования плазмы в установке мала, то существенную роль начинает играть тепловая инерция зонда и его можно использовать для измерений в более горячей плазме. При этом нужно учитывать, что если длительность слишком мала, меньше времени распространения тепловой волны от периферии к центру зонда (здесь а – радиус зонда, к – коэффициент теплопроводности), то при больших потоках мощности может иметь место поверхностный перегрев зонда и его разрушение.

Основные причины искажения вольт-амперных характеристик зонда.

1. Загрязнение поверхности зонда. Зачастую поверхность зонда бывает покрыта диэлектрическимим пленками, наличие которых сильно искажает зондовую характеристику. Для их удаления рекомендуется прогреть зонд перед измерениями до температуры 1000 – 2000 ⁰С в течение одной минуты. Обычно для прогрева по зондовой проволоке пропускают электрический ток.

2. Наличие сопротивлений в измерительной цепи и сопротив-ления самого зонда (см. задачу 4 к данной главе).

3. Шумы плазмы.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы