СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕБАЕВСКОГО РАДИУСА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ В ПЛАЗМЕ Российский патент 2001 года по МПК G01N15/00 

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к способам измерения электрических параметров плазмы в газоразрядных приборах, ионосферной плазме, в космическом пространстве.

Известен способ определения дебаевского радиуса в плазме заданной плотности n₀ при измерении температуры электронов путем пропускания через плазму электромагнитной волны /1/. При этом дебаевский радиус находится путем расчета из выражения

где k - постоянная Больцмана,
e - заряд электрона.

Этот способ не является способом прямого экспериментального определения дебаевского радиуса, на котором должно происходить полное разделение электрических зарядов.

Известен также расчетный способ определения дебаевского радиуса в плазме плотности n₀ при измерении температуры электронов с помощью электрического ленгмюровского зонда /2/. Зонд вводится в плазму и представляет собой металлический электрод, размеры которого малы по сравнению с изучаемой областью плазмы. Получаемая с помощью зонда вольт-амперная характеристика позволяет определить температуру электронов в плазме.

К недостаткам этого способа относится необходимость измерения электронной температуры зондами, что часто оказывается невозможным, например, в отсутствие максвелловского распределения, при больших магнитных полях, в электроотрицательных газах.

Недостатком указанных расчетных способов определения дебаевского радиуса является отсутствие объективного контроля за необходимым полным разделением ионов и электронов при определении дебаевского радиуса.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в разработке способа экспериментального определения дебаевского радиуса в электрических колебаниях при возбуждении в плазме волн плотности и потенциала (см. /3/).

Поставленная задача достигается тем, что в плазме с известной концентрацией n₀ возбуждают потенциальную волну и измеряют флуктуации электрического потенциала Φ₁. При этом длина волны определяется из формулы

а дебаевский радиус r_D находят из выражения
λ = 2πr_D.
Данный способ впервые дает возможность осуществить прямое экспериментальное определение дебаевского радиуса в электрических колебаниях при объективном контроле за полным разделением заряженных частиц в волне.

Сущность способа заключается в следующем. Согласно уравнению Пуассона
▿²Φ = 4πρ. (1)
Из (1) можно получить выражение для разности концентраций ионов и электронов в волне

где n_1i и n_1e - флуктуации концентраций ионов и электронов в волне соответственно, k = 2π/λ, λ - длина волны, ρ = eΔn.
Выражение (2) связывает величину флуктуации потенциала Φ₁ с возмущением зарядов в волне Δn₁. Измеряя значения Φ₁ в возбуждаемой в плазме волне, можно рассчитывать флуктуации неквазинейтральности Δn₁. При этом длина волны λ легко определяется экспериментально /3/.

При полном разделении зарядов в волне, когда Δn₁ = Δn_1c = n₀ при λ = λ_с, величина флуктуаций потенциала достигает максимального значения Φ₁ = Φ_1c и определяется температурой электронов, так что
Φ_1c = kT_e/e (3)
Подстановка (3) в (2) дает выражение для длины волны, на которой достигается полное разделение зарядов в колебаниях,

Величина λ_c имеет смысл дебаевского радиуса, но превышает рассчитанный по формуле r_D = (kT_e/4πe²n₀)^1/2
в 2π раз.

Схема измерений дебаевского радиуса в колебаниях показана на чертеже.

Внутри разрядной трубки 1, заполненной плазмой, помещается электрический зонд 2, измеряющий флуктуации потенциала Φ₁ с помощью стандартной электрической схемы. Длину волны λ измеряют с помощью двух фотоэлектронных умножителей 3 и 4 и световодов 5 и 6. Световод 5 подвижный. С помощью световода 6 осуществляется синхронизация сигналов. Заметим, что величины Φ₁ и λ могут быть измерены и другими способами. Длину волны, например, можно определить с помощью зондов.

В экспериментах газоразрядная плазма создавалась в стеклянных цилиндрических трубках, наполненных инертными газами при давлениях в диапазоне от 10^-1 до 5•10^-4 Торр. Испытания проводились как в магнитном поле, так и без него.

Пример 1. В гелиевой плазме при давлении 10^-2 Торр и магнитном поле 2 кГс равенство

обнаруживается при стационарной концентрации электронов n₀ = 6•10⁷ см^-3. При этом Φ₁ = 5,75 В, длина волны λ = 1,45 см, а r_D = 0,23 см. Расчет дебаевского радиуса по измеренной температуре электронов (T_e = 7,9•10⁴ К) дает r_D = 0,25 см.

Пример 2. При давлении 7,6•10^-3 Торр и поле 1,7 кГс равенство Δn₁ = n₀ выполняется при n₀ = 3,5•10⁷ см^-3. При этом Φ_1c = 7,8 В, длина волны λ_c = 2,2 см, а r_D = 0,36 см. Расчет дебаевского радиуса по измеренной температуре электронов (T_e = 9,5•10⁴ К) дает r_D = 0,36 см.

Таким образом, в предложенном способе впервые предложено новое решение экспериментального определения дебаевского радиуса, основанное на измерении длины возбужденной в плазме волны и флуктуаций потенциала при полном разделении заряда в электрических колебаниях. Способ позволяет установить границу между плазмой и простой совокупностью заряженных частиц (электронов и ионов), на которой достигается равенство тепловой кинетической энергии заряженных частиц и их потенциальной энергии при полном разделении зарядов.

Способ прост в осуществлении, универсален и эффективен. Его можно применять в исследованиях в лабораторной и ионосферной плазме.

Источники информации
1. Бекефи Д. Радиационные процессы в плазме. - М., "Мир", 1971, с. 230.

2. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. - М., "Атомиздат". 1969, с. 41.

3. Bondarenko V.E., Shvilkin B.N. J. Phys. D 29, 1996, p. 638.

Изобретение относится к газоразрядным приборам, использующим электрический разряд, и может быть применено при исследованиях плазмы. Способ экспериментального определения дебаевского радиуса в электрических колебаниях в плазме заключается в том, что в плазме с известной концентрацией n₀ возбуждают волну и измеряют флуктуации потенциала Φ₁. При этом длина волны λ определяется из формулы

а дебаевский радиус r_D находят из выражения λ = 2π•r_D. Техническим результатом изобретения является простота способа и его универсальность. 1 ил.

Способ экспериментального определения дебаевского радиуса в электрических колебаниях в плазме, отличающийся тем, что в плазме с известной концентрацией n₀ возбуждают потенциальную волну и измеряют флуктуации потенциала Φ₁, при этом длина волны λ определяется из формулы

а дебаевский радиус r_D находят из выражения λ = 2π•r_D.