СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРАЛЬНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2018 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть использовано для исследований неравновесной анизотропной плазмы непосредственно в рабочих условиях широкого круга газоразрядных устройств: лазеров, плазмотронов, источников света, мощных стабилизаторов тока и напряжения, ключевых элементов, инверторов, и др.

Известен ионный денситометр для измерения плотности газа или пара в газоразрядных приборах (авторское свидетельство SU №457909, опубл. 25.01.1975 г.), в основе работы которого лежит явление резонансной перезарядки, происходящей в пространстве, заполненном исследуемым газом, между коллектором, находящийся под замедляющим ионы потенциалом, и дополнительным электродом, находящимся под ускоряющим ионы потенциалом.

Способ определения плотности газа состоит в одновременном измерении тока ионов на коллектор J_к и на дополнительный электрод J_∂. Концентрация нейтральных атомов (плотность газа) интегрально определяется по формуле

где L - расстояние между коллектором и дополнительным электродом, см; Q - сечение перезарядки, см².

Недостатками являются невозможность определения локальной концентрации и температуры нейтральной компоненты плазмы (атомов), транспортного сечения электрон-атомных столкновений, конвективной скорости электронов, а также зависимость размеров межэлектродного промежутка от давления газа.

Известен способ определения пространственного распределения параметров плазмы (заявка RU 92005122, опубл. 27.02.1995 г.), основанный на измерении спектрального распределения интенсивности излучения в фиксированных интервалах спектра, не содержащих резонансных линий. При этом записывают контуры спектральных линий, на которые накладывают теоретический спектр, рассчитанный из системы уравнений, включающей уравнение переноса излучения для неоднородного объема, выражение для коэффициента поглощения с учетом линий и непрерывного фона, уравнений кинетики заселения уровней в приближении блока возбужденных состояний и ряд дополнительных соотношений.

Недостатками аналога являются невозможность определения локальной температуры атомов плазмы, транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов.

Известен способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления (патент RU 2503158, опубл. 27.12.2013 г.), включающий установку зонда в плазму, приложение к зонду дискретных ступенчатых импульсов напряжения, регистрацию вольтамперной характеристики (ВАХ), измерение потенциала плазмы. Напряжение каждой последующей ступени в импульсе задают большим по сравнению с предыдущей, ступени формируют с временными интервалами между ними, во время которых потенциал на зонде устанавливают равным потенциалу пространства плазмы. При этом длительность каждой ступени и интервалы времени между ними устанавливают не менее времени восстановления квазинейтральности плазмы.

Недостатками аналога являются: невозможность определения локальной концентрации и температуры атомов плазмы, транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов.

Известен способ определения параметров низкотемпературной плазмы (авторское свидетельство SU №1545766, опубл. 22.10.1989 г.), принятый за прототип, заключающийся в измерении функции распределения электронов по скоростям (ФРЭС) по второй производной ВАХ плоского двойного зонда, помещенного в плазму, отличающийся тем, что с целью определения локальной концентрации атомов плазмы одновременно с ФРЭС измеряют напряженность электрического поля и находят концентрацию атомов по формуле

где N_a - концентрация атомов, см^-3;

Е_z - напряженность электрического поля, В/см;

- транспортное сечение упругих электрон-атомных столкновений, см²;

ƒ₀ - изотропная часть ФРЭС;

ƒ₁ - анизотропная часть ФРЭС;

U - задерживающий потенциал зонда относительно плазмы, В.

Недостатками являются: невозможность определения локальной температуры атомов плазмы, транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов, техническая сложность изготовления плоских зондов.

Техническим результатом является определение набора параметров нейтральной (локальная температура) и электронной (транспортное сечение электрон-атомных столкновений и конвективная скорость) компонент плазмы.

Технический результат достигается тем, что измерения второй производной осуществляют цилиндрическим зондом при двух ориентациях относительно оси разряда, а энергетические зависимости лежандровых компонент функции распределения и интеграла электрон-атомных столкновений реконструируют путем совместного использования измеренных значений второй производной и кинетического уравнения Больцмана.

Способ определения параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы поясняется следующими фигурами: фиг. 1 - вторые производные ВАХ цилиндрического зонда (относительные единицы), зарегистрированные в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 торр, J=0,5 А и двух ориентациях зонда относительно оси разряда: 1 - перпендикулярно (угол между нормалью к поверхности зонда и осью симметрии плазмы θ=0°); 2 - параллельно (θ=90°);

фиг. 2 - энергетические зависимости лежандровых компонент ФРЭС ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, восстановленные в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда (относительные единицы) при Р_Не=1 торр, J=0,5 А;

фиг. 3 - энергетическая зависимость лежандрова компонента интеграла электрон-атомных столкновений S₁, восстановленная в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 торр, J=0,5 А;

фиг. 4 - транспортное сечение упругого рассеяния электронов на атомах гелия. Точки - экспериментальные результаты, полученные предлагаемым способом; 1 - данные К. Kumar; 2 - расчет Sinfailam A.L., Nesbet R.K. матричным вариационным методом; 3 - расчет Burke P.G., Cooper J.W. методом сильной связи;

фиг. 5 - энергетическая зависимость конвективной скорости электронов, определенная при Р_Не=0,5 торр; 1, 2, 3 - расчет по формуле (3) для разрядных токов 0,1; 0,25 и 0,5 А соответственно; 4 - расчет по формуле (4).

Способ осуществляется следующим образом. Цилиндрический зонд, изготовленный из молибденовой проволоки диаметром 0,07 мм и длиной 1 мм, помещают в исследуемую плазму и при двух ориентациях относительно оси разряда регистрируют значения второй производной ВАХ зонда . На фиг. 1 приведены вторые производные , зарегистрированные в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 тор, J=0,5 А, 1-θ=0°; 2-θ=90°.

Далее ФРЭС и интеграл электрон-атомных столкновений представляют в виде разложения в ряды по полиномам Лежандра и реконструируют четные компоненты ФРЭС ƒ₀ и ƒ₂. Путем решения кинетического уравнения Больцмана (2) восстанавливают анизотропную часть ФРЭС ƒ₁.

На фиг. 2 представлены энергетические зависимости ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, восстановленные плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 торр, J=0,5 А.

Далее восстанавливают энергетическую зависимость компонента S₁ интеграла электрон-атомных столкновений (фиг. 3) и определяют локальную температуру Т_а атомов плазмы, транспортное сечение электрон-атомных столкновений и конвективную скорость электронов 〈v〉_конв.

Способ поясняется следующими примерами. В результате осуществления способа была проведена диагностика локальных параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы. Известно, что аддитивный вклад упругого рассеяния электронов на атомах в S₁ в приближении неподвижных атомов равен:

Из этой формулы была определена величина транспортного сечения и его энергетическая зависимость (фиг. 4), т.к. значения S₁, ƒ₁, N_a известны, а вклад других процессов взаимодействия электронов в S₁ мал.

Измерение давления газа р и напряженности электрического поля Е_z позволяет определить локальную температуру атомов, связанную с их концентрацией и давлением формулой

откуда, проведя замену переменной v на U, получают с учетом формулы (1)

Таким образом была определена локальная температура атомов гелия на оси разряда при давлении 1 торр и разрядном токе 0,5 А, она оказалась равной Т_а=(574±45) К. Полученный результат хорошо согласуется с данными измерения Т_а оптическими методами.

Относительное измерение ƒ₀ и ƒ₁ позволяет определить конвективную скорость электронов 〈v〉_конв, усредненную по угловым координатам:

Если рассеяние электронов по импульсу происходит в основном при упругом взаимодействии с атомами, то компоненты ƒ₀ и ƒ₁ оказываются связанными между собой простой зависимостью:

В этих условиях конвективную скорость определяют по значениям ƒ₀ и измеренным Е_z:

Определенные по соотношениям (3) и (4) значения конвективной скорости электронов приведены на фиг. 5.

Таким образом, способ обеспечивает определение локальной температуры Т_а нейтральной компоненты плазмы и параметров электронной компоненты - транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов 〈v〉_конв.

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть использовано для исследований неравновесной анизотропной плазмы непосредственно в рабочих условиях широкого круга газоразрядных устройств: лазеров, плазмотронов, источников света, мощных стабилизаторов тока и напряжения, ключевых элементов, инверторов. Технический результат - определение набора параметров нейтральной (локальная температура) и электронной (транспортное сечение электрон-атомных столкновений и конвективная скорость) компонент плазмы. В исследуемом плазменном объекте регистрируют вторую производную ВАХ цилиндрического зонда, путем совместного использования экспериментальных данных и решения кинетического уравнения Больцмана реконструируют энергетические зависимости лежандровых компонент ФРЭС ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂ и интеграла электрон-атомных столкновений S₁ одновременно осуществляют точное измерение давления газа р и напряженности электрического поля Е_z. Способ обеспечивает определение температуры Т_а нейтральной компоненты плазмы и параметров электронной компоненты - транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов 〈v〉_конв. 5 ил.

Способ определения параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы, включающий измерение функции распределения электронов по скоростям по второй производной зондовой вольтамперной характеристики, отличающийся тем, что измерения осуществляют цилиндрическим зондом при двух ориентациях относительно оси разряда, а энергетические зависимости лежандровых компонент функции распределения и интеграла электрон-атомных столкновений реконструируют путем совместного использования значений второй производной и кинетического уравнения Больцмана.