СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПЛАЗМЫ Российский патент 2015 года по МПК G01R19/145 

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

Известны методы определения потенциала плазмы (U_П), в основе которых лежит применение зондов Ленгмюра в различных вариациях. Теория интерпретации зондовых измерений достаточно сложная и не всегда однозначная [1-4]. Проблема состоит в том, что прямо измерить величину U_П, например, относительно заземленного электрода с помощью обычного зонда невозможно из-за возникновения вокруг него слоя объемного заряда. Изолированный зонд при этом будет находиться под плавающим потенциалом (U_ПП). В то же время для интерпретации зондовых характеристик необходимо знать потенциал измерительного зонда (U_З) относительно потенциала плазмы (потенциала пространства), тогда как из экспериментов известен потенциал зонда относительно некоторого опорного электрода, например заземленного электрода(U_ПЗ). В соответствии с классическими представлениями U_П определяется как потенциал точки перегиба ВАХ зонда [3]. Однако у экспериментальных ВАХ зонда из-за влияния ряда факторов (загрязнение поверхности зонда, сток электронов на зонд, колебания потенциала плазмы, и др.) явно выраженный перегиб часто отсутствует. Поэтому для определения U_П используются характерные точки на графике второй производной зондового тока по потенциалу зонда. Хотя единого мнения нет, в большинстве работ U_П определяется исходя из условия равенства второй производной нулю. Одним из методов экспериментального определения U_П является использование нагреваемых эмитирующих зондов: при эмиссии электронов зондом ВАХ эмитирующего и неэмитирующего зондов в области электронного тока насыщения (область положительных значений U_З на ВАХ) совпадают, но различаются при отрицательных U_З.

Принимается, что потенциал зонда, при котором ВАХ начинают различаться, и является потенциалом плазмы. Еще более сложной является интерпретация результатов зондовых измерений в плазме, создаваемой переменными полями (ВЧ и СВЧ разряды), а также в плазме в присутствии колебаний потенциала плазмы. В этом случае возможны дополнительные искажения ВАХ зонда [4-5]. Они связаны с тем, что слой пространственного заряда у зонда является нелинейным элементом и при воздействии на него переменного напряжения происходит преобразование частоты и, в частности, в переменном сигнале появляется постоянная составляющая (выпрямление на слое как нелинейном элементе). Это ведет к появлению дополнительного (к внешнему напряжению) смещения зонда, причем величина этого смещения зависит от потенциала зонда. Все методы уменьшения этой погрешности (пассивные и активные) связаны с уменьшением переменного напряжения на слое объемного заряда. Основная идея предлагаемого метода измерения U_П заключается в устранении условий возникновения слоя объемного заряда у вводимого в разряд зонда.

Для измерения потенциала плазмы разработано устройство, основные элементы которого показаны на фиг.1, где: 1 - корпус, 2 - обмотка, 3 - плоский зонд, 4 - изолятор вывода зонда, 5 - выводы обмотки. 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 размещался плоский зонд площадью 30 мм². Плоский зонд углублялся в корпус катушки так, что его поверхность уходила за пределы проекции отверстия на плоскость, перпендикулярную его оси, на 0,5 мм. Зонд был изготовлен из нержавеющей стали. Разность потенциалов между зондом и заземленным электродом определялась по величине тока в цепи, включающей в себя LC-фильтр, микроамперметр и ограничительные сопротивления величиной до 120 Мом, что позволяло поддерживать ток в цепи не более 3 мкА. Это обеспечивало сведение к минимуму искажений, вносимых зондом в разряд. Схема измерений была пассивная, т.е. никакого дополнительного смещения на зонд не подавалось.

Принцип работы устройства связан с замагничиванием электронной компоненты плазмы, в результате чего коэффициент диффузии ионов в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям, становится больше, чем аналогичный коэффициент для электронов. В результате, в пределе при увеличении тока через обмотку плоский зонд 3 заряжается относительно потенциала плазмы положительными ионами до потенциала величиной ~к_БТ_i/e, где Т_i - температура ионов. Средняя энергия ионов в положительном столбе плазмы газового разряда составляет ~0,1 эВ [6], что примерно на два порядка меньше энергии электронов. В то же время магнитное поле указанной ориентации не препятствует движению заряженных частиц вдоль его силовых линий. 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. Потенциал зонда с ростом тока через обмотку будет стремиться к U_П, с учетом поправки на величину порядка к_БТ_i/е. На фиг.2 представлены зависимости потенциала зонда относительно земли от величины идущего через соленоид тока, полученные в газе SF₆ при Р=6,65·10^-2 Па, Г=3,1·10^-3 м³·Па·с^-1, U_ВЧ=380(1); 520(2); 740(3) В. Они иллюстрируют изменение разности потенциалов между плоским зондом и заземленным электродом с ростом тока I_В. Ход этих зависимостей определяется преимущественно уменьшением плавающего потенциала зонда.

Постоянное магнитное поле непосредственно не влияет на энергию заряженных частиц, хотя известно, что при создании такого поля во всем объеме разрядной камеры (РК) может повышаться температура и концентрация электронов благодаря увеличению времени их жизни в разряде. Это связано с уменьшением их ухода на стенки РК. Однако предлагаемый способ измерения U_П предполагает локальность создаваемого магнитного поля при условии, что объем плазменного столба много больше размеров вводимого в него устройства. Поэтому времена жизни и соответственно средние по всему объему плазмы энергии частиц меняются незначительно. Таким образом, напряжения насыщения на представленных на фиг.2 зависимостях стремятся к потенциалу плазмы при различных значениях ВЧ-напряжения на потенциальном электроде. Если предварительно задать достаточно большую величину тока I_В, то можно проводить прямое измерение U_П с погрешностью порядка к_БТ_i/е, т.е. ~0,1 В.

Сравнение результатов определения потенциала плазмы предлагаемым способом и полученных путем измерения потенциала торможения поступающих на заземленный электрод положительных ионов по известной методике [7] хорошо согласуется.

Список используемых источников

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

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

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

4. Иванов Ю.А., Лебедев Ю.А., Полак Л.С. Методы контактной диагностики в неравновесной плазмохимии. М.: Наука, 1981.

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

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

7. Suzuki K., Okudaira S., Kanomata I. // Solid Stat. Sci. and Technol. 1979. V.126. №6. Р.1024.

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 зонд размещают внутри соленоида, размеры которого много меньше размеров плазмы, а его конструкция обеспечивает установление потенциала зонда на уровне потенциала пространства в месте его размещения. Это достигается путем локального замагничивания электронов внутри соленоида таким образом, что на зонд они могут поступать только путем диффузии поперек линий магнитной индукции. В этом случае при достижении достаточной величины магнитной индукции поток электронов на зонд снижается до значения потока ионов, а потенциал зонда становится равным потенциалу плазмы в данной точке пространства. 2 ил.

Способ измерения потенциала плазмы (пространства), включающий размещение в объеме плазмы зонда и измерение возникающей между ним и опорным зондом разности потенциалов пассивным методом, отличающийся тем, что зонд находится внутри соленоида с размерами, много меньшими линейных размеров плазмы, в котором с помощью внешнего источника тока создается локальное магнитное поле, а конструкция соленоида такова, что поступление электронов на электрод возможно только при движении поперек магнитных силовых линий, что приводит к выравниванию идущих на него токов ионов и электронов и установлению на электроде потенциала, равного потенциалу плазмы (пространства).