4. Измерение параметров плазмы одиночным зондом Методические указания к проведению лабораторной работы

Работа выполняется на установке, блок-схема которой приведена на рис. 1. Перед выполнением работы следует ознакомиться с инструкцией по эксплуатации установки и расположением органов управления.

Далее производится снятие вольт-амперных характеристик одиночного зонда при нескольких значениях разрядного тока, напряженности магнитного поля и давления, согласованных с преподавателем.

На основании экспериментальных данных в соответствии с указаниями, приведенными ниже, производится обработка вольт-амперных характеристик и определение параметров газоразрядной плазмы.

Обработка вах одиночного зонда

Обработка вольт-амперной характеристики одиночного зонда позволяет определить локальные значения плазменного и плавающего потенциалов, температуры электронов , а также плотности плазмы .

Простейший способ определения был предложен Ленгмюром и связан с нахождением точки перегиба на вольт-амперной характеристике по пересечению ассимптот проведенных из участков «А» – электронного тока насыщения и «В» – переходного участка. Более точно определяется из условия равенства нулю второй производной зондового тока.

Плавающий потенциал находится из условия нулевого тока на зонд. На рисунке это точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью абсцисс.

Электронная температура определяется по переходному участку вольт-амперной характеристики зонда. В случае максвелловской функции распределения электронов по энергиям можно воспользоваться выражением для электронного тока на отталкивающий зонд (6), полученным Ленгмюром. Для этого к (6) применим операцию логарифмирования:

. (14)

Продифференцируем полученное выражение по потенциалу зонда:

. (15)

. (16)

Таким образом, если отложить ток электронов на графике в полулогарифмическом масштабе в зависимости от напряжения, то по наклону графика, вид которого показан на рис. 6, можно определить температуру электронов:

, (17)

где — угол наклона прямолинейного участка графика к оси .

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика одиночного зонда

а – общий вид характеристики;

б – электронная часть характеристики в полулогарифмическом масштабе.

Наличие прямолинейного участка на графике свидетельствует о том, что распределение электронов по энергиям является максвелловским.

При большой плотности плазмы зонд раскаляется электронным током и получить участок «В» бывает невозможно. В этих случаях электронную температуру можно получить из участка «С». Здесь электронный ток сравним с ионным, и метод экстраполяции дает большую ошибку. Поэтому для уменьшения влияния ионного тока на этом участке целесообразно воспользоваться методом первой производной зондового тока, считая, что она существенно превышает производную ионного тока:

. (18)

Так как при , , то окончательно получаем:

, (19)

где в правой части подставляются значения при .

Плотность плазмы определяется с помощью формулы Бома (13) по участку «С» на вольт-амперной характеристике зонда. Для этого необходимо определить ионный ток на зонд . Трудность заключается в том, что реально ионный ток не достигает полного насыщения. Тогда считают, что при зондовый ток, в основном ионный, и экстраполируют последний в область . Графически это можно проделать, как показано на рисунке 6. Тогда, например, для цилиндрического зонда:

, (20)

где  – атомный вес иона.