СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛАВАЮЩЕГО ПОТЕНЦИАЛА В ПЛАЗМЕ Российский патент 2015 года по МПК G01R19/145 

Использование: диагностика параметров плазмы. Цель изобретения - повышение оперативности и надежности результатов измерения плавающего потенциала плазмы.

Плавающий потенциал (U_ПП) возникает на погруженных в плазму изолированных телах, а также на контактирующих с плазмой поверхностях, если с них не происходит отекание заряда. Этот потенциал во многом определяет характер протекания на них гетерогенных процессов, поскольку энергия бомбардирующих ее ионов равна (U_П-U_ПП) q, где U_П - потенциал плазмы, а q - заряд иона. С помощью известных зондов Ленгмюра [1] можно определить потенциал погруженного в плазму изолированного зонда относительно опорного зонда или, например, заземленного электрода. Для этого на зонд подается такое отрицательное смещение, при котором ток в цепи равен нулю [2]. Однако для нахождения значения U_ПП относительно U_П необходимо определить потенциал плазмы относительно опорного электрода вольт-амперной характеристике разряда, что часто представляет собой значительную трудность. Теория зондовых измерений достаточно сложная и не всегда однозначная [2-6].

При максвелловском распределении электронов и ионов по энергиям в изотермической плазме связано с температурой электронов

где к_Б - постоянная Больцмана, Т_е - температура электронов, m_е и M_i - масса электрона и иона, e - заряд электрона, α - зависящий от геометрии зонда коэффициент [7].

Основная идея предлагаемого метода измерения Uпп заключается в устранении условий возникновения слоя объемного заряда у одного из вводимых в разряд зондов. В том случае вводимый плазму опорный зонд находится под потенциалом плазмы (пространства).

Для достижения данной цели предлагается, например, устройство, основные элементы которого показаны на фиг.1, где: 1 - корпус, 2 - обмотка катушки постоянного тока, 3 - изолятор вывода цилиндрического зонда, 4 - цилиндрический зонд, 5 - плоский зонд. Оно представляет собой фторопластовую катушку с внешним ⌀15, высотой 10 и внутренним отверстием ⌀7 мм, на которую были намотаны 600 витков медного провода ⌀0,2 мм. С помощью этой обмотки внутри катушки создавалось постоянное магнитное поле с силовыми линиями параллельными ее оси. Внутри отверстия катушки размещались цилиндрический зонд длиной 5 и ⌀0,2 мм и плоский опорный зонд площадью 30 мм². Плоский зонд углублялся в корпус катушки так, что его поверхность уходила за пределы проекции отверстия на плоскость перпендикулярную ее оси на 0,5 мм. Оба зонда были изготовлены из нержавеющей стали. Разность потенциалов между зондами определялась по величине тока в цепи, включающей в себя LC-фильтр, микроамперметр и магазин ограничительных сопротивлений, значения которых составляли от 100 кОм до 120 мОм и позволяли поддерживать ток в цепи не более 3 мкА. Это обеспечивало сведение к минимуму искажений, вносимых зондами в разряд. Схема измерений пассивная. Принцип работы устройства связан с замагничиванием электронов плазмы, в результате чего коэффициент их диффузии в направлении перпендикулярном линиям магнитной индукции становится равным или даже меньшим, чем аналогичный коэффициент для ионов. В результате плоский зонд 5 с ростом магнитного поля повышается сначала до потенциала пространства в данной точке, а в пределе заряжается ионами до положительного потенциала величиной порядка к_БТ_i/ē, где Т_i - температура ионов. Средняя температура ионов в положительном столбе плазмы тлеющего газового разряда на несколько порядков меньше температуры электронов, а энергия составляет ~0,1 эВ [7]. В то же время магнитное поле не препятствует движению заряженных частиц вдоль его силовых линий и практически не влияет на энергию частиц. Измерения предлагаемым способом проводились в емкостном разряде при частоте ВЧ - напряжения 13,56 МГц в камере высотой 230 и радиусом 63 мм, экранированной заземленным кожухом. Измерения проводились в центре положительного столба плазмы. Ход зависимостей на фиг.2, иллюстрирующих изменение разности потенциалов плоского (U_ПЗ) и цилиндрического (U_ЦЗ) зондов с ростом тока I_В, определялся, в соответствии с изложенным выше, преимущественно изменением потенциала плоского зонда. Представленные на фиг.2 зависимости получены в газе SF₆ при P=6,65·10^-2 Па, Г=3,1·10^-3 м³·Па·c^-1, U_ВЧ=390(1), 525(2), 740(3) В.

При токе I_В=0 оба зонда находятся под плавающим потенциалом и разность их потенциалов практически равна нулю благодаря тому, что они находятся примерно в одной точке плазмы. При значениях I_В, соответствующих насыщению рассматриваемых зависимостей, напряжение насыщения, соответствующее каждой из кривой на фиг.2, можно считать примерно равным по модулю плавающего потенциала цилиндрического зонда, т.е. в случае |U_ПЗ|<<|U_ЦЗ| и |U_ПЗ-U_ЦЗ|≈ - U_ПП. Благодаря локальности создаваемого в плазме магнитного поля времена жизни и соответственно средняя по всему объему плазмы энергия электронов меняются незначительно. На фиг.2 видно, что значение плавающего потенциала с увеличением амплитуды ВЧ - напряжения (U_ВЧ), возбуждающего разряд, меняется по модулю примерно от 27 до 42 В. Если воспользоваться формулой (1), то в данном примере при М_i=2,4·10^-25 кг и α=0,77 [7] температура электронов изменяется примерно от 4,5 до 7 эВ.

Список используемых источников

1. Mott-Smith H., Langmuir I. // Phys. Rev. 1926. V.28. №5. P.727.

2. Иванов Ю.А., Лебедев Ю.А., Полак Л.С. Методы контактной диагностики в неравновесной плазме. М.: Наука, 1981, 143 с.

3. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат. 1969.

4. Чен Ф. Электрические зонды // Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хаддлстоуна и С.М. Леонарда. М.: Мир, 1967.

5. Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М.: Мир, 1978, 201 с.

6. Овсянников А.А., Энгельшт В.А., Лебедев Ю.А. и др. Диагностика низкотемпературной плазмы. Новосибирск: Наука, 1994.

7. Райзер Ю.П. // Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука. 1980.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ измерения плавающего потенциала в плазме и может использоваться для диагностики параметров плазмы газового разряда. При реализации способа два зонда размещают внутри соленоида, размеры которого много меньше размеров плазмы, а его конструкция обеспечивает установление потенциала первого из зондов на уровне потенциала пространства в месте его размещения. Это достигается путем локального замагничивания электронов таким образом, что на первый зонд они могут поступать только путем диффузии поперек линий магнитной индукции. При этом второй зонд находится под плавающим потенциалом, величина которого измеряется относительно потенциала первого зонда, т.е. потенциала плазмы. 2 ил.

Способ измерения плавающего потенциала в плазме, включающий размещение в объеме плазмы двух зондов и измерение возникающей между ними разности потенциалов, отличающийся тем, что зонды находятся внутри соленоида с характерными размерами, много меньшими размеров плазмы, в котором с помощью внешнего источника тока создается локальное магнитное поле, а конструкция соленоида обеспечивает свободное поступление электронов и ионов вдоль линий магнитной индукции на один из зондов, заряжая его до установления на нем плавающего потенциала, в то время как на второй зонд поступление электронов возможно только при движении поперек линий магнитной индукции, что позволяет путем регулирования величины магнитного поля уменьшать поток электронов и устанавливать потенциал второго электрода равным потенциалу пространства в данной точке плазмы.