СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ СВЧ-ПРИБОРАХ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к электрофизике и может применяться для создания пучково-плазменных СВЧ-приборов.

Известен способ определения концентрации плазмы, основанный на измерении плазменного тока с помощью ленгмюровского зонда [1]. Недостатком этого способа является низкая точность определения концентрации плазмы в пучково-плазменных приборах. Это связано с тем, что зонд нельзя размещать в области канала замедляющей структуры, где проходит пучок, создающий плазму. Зонд можно размещать только в стороне от канала пучка, где концентрация плазмы спадает и сильно отличается от концентрации в самом канале.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения концентрации плазмы в пучково-плазменных СВЧ-приборах, основанный на измерении величины тока на коллектор или тока на боковую поверхность СВЧ-прибора [2]. Способ позволяет измерять концентрацию нетермализованной плазмы. Недостатком этого способа является невозможность измерения концентрации термализованной плазмы, так как скорость плазменных электронов в этом случае неизвестна.

Целью изобретения является определение концентрации в условиях термализованной плазмы.

Цель достигается тем, что в способе определения концентрации электронов в пучково-плазменных СВЧ-приборах, включающем определение величины тока I_б на боковую поверхность СВЧ-прибора, дополнительно измеряют давление газа Р в СВЧ-приборе, а концентрацию электронов определяют из соотношения:
n_e= A + - A+ A - - A
A = · , S_p= πr2p

, n_o= N где е - заряд электрона;
М - масса иона;
- средняя энергия вторичных электронов;
r_p - радиус плазменного канала;
М - число Лошмидта;
Р_атм = 760 Торр - атмосферное давление.

Кроме того, цель достигается также тем, что измеряют ток пучка I_в и ток коллектора I_к, а плазменный ток I_б определяют как разность
I_б = I_в - I_к.

На фиг. 1 приведена зависимость тока на коллектор I_к от величины запирающего потенциала коллектора U_к; на фиг.2 показана зависимость тока на боковую поверхность I_б прибора от величины U_к.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

Пучок ускоренных электронов ионизует газ. Плазменные вторичные электроны (нетермализованные) имеют энергетический спектр от нуля до энергии пучка, но основное их количество составляют низкоэнергетические электроны. Например, при ионизации водорода пучковыми электронами с энергией ε_в = 20-50 кэВ основная масса вторичных электронов имеет энергию ε_в< 100 эВ, а средняя энергия вторичных (нетермализованных) электронов составляет 20 эВ. Ионы нетермализованной плазмы имеют исходную тепловую энергию, определяемую комнатной температурой газа, равную ε_i ≈ 0,025 эВ. Плазма в пучково-плазменных СВЧ-приборах находится в продольном магнитном поле.

При работе пучково-плазменного СВЧ-прибора без запирающего потенциала на коллекторе вдоль магнитных силовых линий на коллектор выходят в основном высокоскоростные плазменные электроны, а низкоскоростные плазменные ионы своим кулоновским полем выталкиваются поперек магнитного поля на боковую поверхность канала.

Если работа пучково-плазменного СВЧ-прибора осуществляется с большим отрицательным потенциалом коллектора ( ≈ -100 В), то картина разлета плазмы изменяется на противоположную, а именно на коллектор проходят только ионы, а электроны плазмы отражаются от него, оставаясь в канале. Требование квазинейтральности плазмы приводит к тому, что избыток электронов в канале выталкивается кулоновскими силами на структуру, то есть происходит трехмерный разлет плазмы с разделением зарядов. Ток ионов уменьшает сигнал электронов пучка. Измеряя ток пучка I_в и ток коллектора I_к и определяя ток ионов на коллектор а разность I_в-I_к или измеряя равный ему ток электронов на боковую поверхность I_б, можно определить концентрацию плазмы n_е в канале как
n_e= = (1) где S_р - сечение плазменного шнура;
v_zi - скорость ухода ионов на коллектор.

Скорость v_zi не известна и определяется конечным состоянием плазмы при наличии отрицательного потенциала на коллекторе. В этом случае электроны плазмы находятся в канале длительное время, многократно отражаясь от отрицательного потенциала коллектора и высокого ускоряющего потенциала катода пушки. В результате длительного пребывания в канале вторичные электроны плазмы успевают термализоваться, то есть отдают свою энергию ионам плазмы и нейтральным молекулам газа, нагревая их, а также переводя их в возбужденное состояние. В результате термализации плазма становится равновесной, с одинаковыми энергиями электронов, ионов и нейтральных молекул и ионы уходят на коллектор со скоростью v_zi, определяемой их конечной тепловой энергией ε_i. Для этого случая можно записать уравнение теплового баланса
n_e≈ ε^*kn_i+ε_i(n_e+n_i+n_o) (2) где ε^* - энергия, потраченная на возбуждение ионов;
k - коэффициент, зависящий от сечения возбуждения;
n_i,n_o - концентрация ионов и нейтральных молекул газа.

Членом ε^* kn_i можно пренебречь, так как ε^* ≈ , а k<<1, поскольку сечение возбуждения много меньше сечения ионизации. Тогда будем иметь
n_e≈ ε_i(2n_e+n_o) (3) откуда
ε_i= (4)
В результате ионы уходят на коллектор со скоростью v_zi, определяемой их конечной тепловой энергией ε_i.

В этом случае концентрацию плазмы можно определить по соотношению
n_e= = (5) где М - масса иона.

Величина 2S_p учитывает вылет ионов из структуры в обе стороны, на коллектор и на катод.

Подставляя (4) в (5), получим
n_e= (6) откуда получаем уравнение для определения n_e:
n3e

- · 2n_e- · n_o= 0 (7)
Это кубическое уравнение относительно n_e типа
y³ + 3ay + 2b = 0 (8) где
a = - A, b = - A·n_o, A = · , n_o= N
N = 2,69 ˙ 10¹⁹ см^-3 - число Лошмидта;
Р_атм = 760 Торр - атмосферное давление;
Р - давление газа в приборе.

Решения этого уравнения имеют вид:
y₁= u+v, y₂= γ₁u+γ₂v, y₃= γ₂u+γ₁v (9) где
u = , v = , γ_1,2= - ± i
Интерес представляет первое действительное решение у₁. Тогда окончательное выражение для определения концентрации плазмы будет иметь вид
n_e= A + - A+ A + - A (10)
Следовательно, для определения концентрации плазмы необходимо измерить давление нейтрального газа Р в приборе, измерить ток с боковой поверхности I_б или измерить ток пучка I_в (ток пушки) и ток с коллектора I_к, получить разность этих токов I_в - I_к и по соотношению (10) рассчитать значение концентрации плазмы.

При малой концентрации плазмы n_e < < 10¹² см^-3, когда изменение тока коллектора мало, его трудно измерить на фоне большого тока пучка. В этом случае для определения n_e удобнее использовать ток I_б, поскольку на структуре отсутствует большой ток пучка и соответственно I_б можно измерить более точно. При n_e > 10¹² см^-3, когда ток ионов становится сравнимым с током пучка, для определения n_e можно использовать токи I_в - I_к.

Предложенный способ применим не только при больших отрицательных потенциалах коллектора. Он может использоваться и при малых U_к в несколько вольт, но при больших давлениях газа Р > 10^-3 Торр, когда концентрация плазмы становится меньше времени пролета плазменными электронами длины прибора, плазма успевает термализоваться и энергия электронов уменьшается до уровня 1-2 эВ.

Отрицательный потенциал коллектора будет ускорять ионы плазмы, то есть изменять их скорость ухода на коллектор, что, на первый взгляд, должно вносить большую ошибку при измерении концентрации. Однако отрицательный потенциал приложен к узкому зазору ( ≈0,5 см) между коллектором и концом замедляющей структуры, а в канал он не проникает и только на этом зазоре ионы получают ускорение. Ток ионов на коллектор будет определяться не скоростью ионов на этом участке, а скоростью подхода ионов из канала к этому участку, которая определяется их температурой. Поэтому потенциал коллектора не будет вносить существенной ошибки в результаты измерений n_e.

Вторично-эмиссионные электроны, выбиваемые из поверхности коллектора, также не вносят существенной ошибки в результаты измерений, так как при энергии пучковых электронов в несколько десятков киловольт коэффициент вторичной эмиссии близок к нулю.

Приведем пример конкретной реализации способа.

Определим концентрацию плазмы на конкретном примере из экспериментальных данных. В пучково-плазменном СВЧ-приборе измерялись величины I_б и I_к в зависимости от величины коллекторного потенциала U_к(фиг.1,2). Измерения проводились при следующих параметрах: I_в = 2А, S_р≈ 1 см², давление газа (водорода) в приборе Р = (3-6) ˙ 10^-4 Торр.

При U_к = 0 ток на боковую поверхность определяется только потерями пучка при его транспортировке через прибор, которые составляют ≈1% от тока пучка. Концентрация плазмы мала и незаметна для измерений.

При U_к = 100 В плазменные электроны отсекаются от коллектора и концентрация плазмы в канале существенно увеличивается. Ток на боковую поверхность становится равным I_б = 0,2 А (при Р = 3 ˙ 10^-4 Торр). Определим концентрацию плазмы в этом случае.

Ввиду того, что в b² >> a³, второе слагаемое в (10) будет равно нулю и выражение (10) для n_e можно упростить:
n_e≈ · · (11)
В результате получаем концентрацию плазмы, равную
n_e=
≈ 6·10¹¹см^-3
Этот результат совпадает с точностью до 10% с результатами измерения концентрации плазмы другими способами, например по пучково-плазменному СВЧ-взаимодействию.

Таким образом, предложенный способ позволяет определять концентрацию термализованной плазмы.

Использование: пучково-плазменные СВЧ-приборы. Сущность изобретения: способ включает определение плазменного тока на боковую поверхность прибора, измерение давления газа в приборе и определения концентрации плазмы по соотношению, приведенному в описании. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ СВЧ-ПРИБОРАХ, включающий определение величины тока I_б на боковую поверхность СВЧ-прибора и определение концентрации электронов n_е, отличающийся тем, что, с целью определения концентрации в условиях термолизованной плазмы, дополнительно измеряют давление газа P в СВЧ-приборе, а концентрацию электронов определяют из соотношений


где e - заряд электрона;
M - масса иона;
- средняя энергия вторичных электронов;
r_р - радиус плазменного канала;
N - число Лошмидта;
P_атм = 760 Торр - атмосферное давление. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют ток I_в пучка и ток I_к коллектора, а плазменный ток I_б определяют как разность
I_б = I_в - I_к.