Експериментальна установка

Зондові вимірювання проводяться за схемою, наведеною на рис.5. Розрядна трубка відкачана до високого вакууму і наповнена чистою ртуттю. Тиск насиченої пари при =20°C складає 0,16 Па. Цьому тискові відповідає концентрація атомів ртуті 4∙10¹⁹ м^-3. Розрядна трубка складається з катоду К прямого розжарювання, до якого прикладається напруга, підпалювача П, аноду А і зонда З.

Підпалювач допомагає запалювати в трубці розряд. Для цього достатньо натиснути кнопку В. В цей момент підпалювач набуває потенціала анода, і анодна напруга буде прикладена між К і П, розташованими поблизу один від одного. Це приведе до істотного зростання напруженості електричного поля біля катоду і забезпечить умову запалювання самостійного розряду.

Напруга розжарювання створюється лабораторним автотрансформатором (ЛАТР) і випрямлювачем. Анодна напруга створюється універсальним джерелом живлення (УИП) і регулюється вихідним потенціометром джерела живлення. Режим розряду контролюється вольтметром V₁ , який розташовано на лицевій панелі УИП, та міліамперметром мA. Баластний резистор R слугує для стабілізації розряду і являє собою обов’язковий елемент схеми. Він обмежує розрядний струм в момент запалювання плазми і тим самим запобігає перенавантаженню і виходу з ладу УИП, а нитку розжарення – від перегоряння.

Потенціал зонда відносно анода задається стабілізованим джерелом живлення (СИП) і може задаватися з точністю до 0,05 В. Зондові характеристики знімаються за допомогою вольтметра V₂ і мікроамперметра .

Методика вимірів і обробки результатів

1. Для трьох–п’яти різних значень розрядного струму (в межах від 100 до 500 мA), який регулюється резистором R, зняти зондові характеристики . Особливо детально, з кроком 0,2 В, знімати в межах від до +(2…3) В.

2. Для визначення внеску іонного струму в сумарний зондовий струм побудувати зондові характеристики для ділянки , тобто в області від максимально від’ємних напруг на зонді до нуля. Це виконується наступним чином.

Оскільки при на зонд йде не тільки електронний струм, але й протилежний за знаком струм позитивних іонів, то для того, щоб знайти силу електронного струму , треба до значень повного струму додати абсолютну величину струму позитивних іонів при заданому . Цю величину можна отримати, екстраполюючи лінійно зондовий струм із області, де переважає іонний струм, в область, де переважає електронний струм (пунктирна пряма на рис.6).

3. Для визначення температури електронів побудувати залежність для всіх струмів розряду на участку +(2…3) B. Згідно (22), маємо

. (28)

Таким чином, на графіку в області виявляється лінійна ділянка АВ (рис.7), тангенс кута нахилу якої дорівнює . Ця ділянка напівлогарифмічної характеристики дає можливість визначити електронну температуру

. (29)

Обробку результатів (нахил прямої АВ) і розрахунок похибки визначення виконати за методом найменших квадратів.

4. Визначити потенціал плазми . Потенціал плазми відносно аноду в місці розташування зонда визначається за точкою вигину на залежності (рис.7). У першому наближенні цю точку можна знайти на перетині прямих АВ і ВС, оскільки звичайно ділянка графіка, який відповідає насиченню електронного струму, є прямою. Точність визначення потенціалу в даній точці плазми за методом зондових характеристик оцінюється в 1В.

Рис.7. Залежність логарифму електронного струму від напруги на зонді

5. Визначити значення , і , розрахувати за формулою (26) температуру іонів .

6. Для визначення концентраці електронів знайти значення електронного струму на зонд при і, скориставшись формулою (27), розрахувати

. (30)

Відмітимо, що зондова діагностика плазми має багато джерел похибок.

Контрольні запитання і завдання

1. Що називається плазмою? Методи одержання плазми.

2. Вивести і обґрунтувати умову запалювання самостійного газового розряду.

3. У чому сутність зондового методу діагностики плазми?

4. Що таке радіус екранування Дебая? Чим визначається конструкція і розміри зонда?

5. Поясніть вольт-амперну характеристику пристрою для створення плазми.

6. Чим відрізняється газорозрядна плазма низького тиску від ізотермічної?

7. Що таке плаваючий потенціал?