СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОЙ ЧАСТОТЫ СТОЛКНОВЕНИЙ ЭЛЕКТРОНОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к области измерений параметров материалов электро- и радиотехническими методами, а точнее к области диагностики плазмы сверхвысокочастотными (СВЧ) электромагнитными волнами (ЭМВ), может быть использовано при лабораторных исследованиях СВЧ-методами различного рода плазменных образований, например, в ударных трубах, коаксиальных генераторах плазмы и т.д.

Целью изобретения является повышение точности определения параметров N_e и ν_эф в диапазоне концентрацией электронов N_е> N_кр и расширение номенклатуры исследуемых объемов с плазмой.

На чертеже изображена блок-схема устройства, которое реализует предложенный способ.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит СВЧ генератор 1, модулятор 2, выход которого подключен к входу внешней модуляции СВЧ-генератора 1, последовательно подключенные к выходу СВЧ-генератора 1 регулируемый аттенюатор 3 и первый направленный ответвитель 4; измерительный конденсатор 5 с цепью заряда, управляемый ключ 6 в цепи разряда конденсатора 5, подключенной к второму входу первого направленного ответвителя 4; герметичный отрезок 7 коаксиальной линии, подключенный к выходу первого направленного ответвителя 4, второй направленный ответвитель 8, вход которого подключен к выходу герметичного отрезка 7 коаксиальной линии, амплитудный детектор 9 на одном из выходов второго направленного ответвителя 8, регистратор 10, к одному из входов которого подключен амплитудный детектор 9, к другому - второй выход второго направленного ответвителя 8, и синхронизатор 11, первый и второй выходы которого подключены к входу синхронизации регистратора 10 и управляющему входу ключа 6 соответственно.

Определение параметров плазмы N_е и ν_эф производится следующим образом.

Задают рабочую частоту ω ЭМВ, на которой измеряется затухание ЭМВ в плазме. Поскольку в техническом решении рассматривается диапазон концентраций электронов в плазме N_е> N_кр, что соответствует частотному диапазону ω²<<ν_эф², то рабочую частоту выбирают именно в диапазоне частот ω²<ν_эфмин², где ν _эфмин - минимальная заданная эффективная частота столкновений электронов. Для этого оценивают значение эффективной частоты столкновений ν_эф в исследуемом объеме с плазмой каким-либо способом, например по приближенной формуле, верной для диапазона температур Т электронов в газе 2000 ≅Т ≅6000K
ν_эф=7,7 ˙10¹¹ p, с^-1 (1) где p - давление газа в объеме с плазмой, МПа.

Значение p находят, например, из решения уравнения состояния газа в рабочем объеме с плазмой, при этом выбирают минимальное значение p, например p=2 МПа. Вычисляют ν_эфмин=1,5 ˙10¹² с^-1.

По найденному значению ν_эф задают рабочую частоту в диапазоне ω²<ν_эфмин² например ω = 2 π 10⁹ с^-1, ω² =1,7 х 10⁵ ν_эфмин .

Задают толщину слоя плазмы l такой, чтобы затухание ЭМВ на заданной рабочей частоте ω составляло бы величину не более 25-30 дВ, например l=0,05 м.

Выбирают тип и конструкцию длинной линии, проходящей через объем с плазмой. Тип и конструкция длинной линии полностью задают погонную емкость С_о и погонное сопротивление r_o длинной линии на заданной рабочей частоте ω. Конструкцию длинной линии выбирают такой, чтобы ее удобно было поместить в объеме с плазмой. Погонные параметры длинной линии определяют по формулам
для двухпроводной линии
C_o = , Ф/м, r_o = , Ом/м
для коаксиальной линии
C_o = , Ф/м
r_o = + , Ом/м где ε_o- электрическая постоянная,
ε_o= (35 π10⁹)^-1 Ф/м;
b - заданное расстояние между проводниками двухпроводной линии, м;
a - радиус проводников двухпроводной линии, м;
μ_o - магнитная постоянная, μ_o = 4 π10^-7 Гн/м;
ω - заданная рабочая частота, с^-1;
σ₁ - заданная проводимость материала проводников линии, См/м;
D - заданный диаметр внешнего проводника коаксиальной линии, м;
d - заданный диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии, м.

Задают длительность импульса модуляции τ_м такой, чтобы эта длительность была бы в области характерного времени релаксации в плазме, т.е.

τ_м = (δ˙ν_эфмин)^<196>1 (2), где ν_эфмин - заданная минимальная эффективная чаcтота столкновений электронов, вычисленная по формуле (8), например ν_эфмин = 1,5 ˙10¹² с^-1;
δ - доля энергии, отдаваемой электроном при одном столкновении, δ= 10^-4-10⁶.

Вычисляют по формуле (2) значение τ_м, например τ_м= 1 мкс.

Модулируют импульсами заданной длительности τ_м ЭМВ на заданной частоте ω. Промодулированную ЭМВ пропускают по длинной линии, проходящей через объем с плазмой. В момент измерения затухания ЭМВ измеряют также объемное сопротивление R плазмы между проводниками длинной линии. Измерение затухания и объемного сопротивления плазмы производят за одно и то же время - в течение длительности модулирующего импульса. По измеренному значению затухания ЭВМ в плазме вычисляют показатель затухания ЭМВ в плазме по формуле
κ =
(3) где κ- показатель затухания ЭМВ, Нп;
λ_o - длина волны, соответствующая рабочей частоте, м;
l - толщина слоя плазмы, м;
α- измеренное затухание ЭМВ в плазме, дБ.

Конструкцию электронов N_е и эффективную чаcтоту столкновений ν_эф электронов определяют по следующим формулам:
N_e=4,0·10¹²/(κ²+1) - - Rl
(4)
ν_эф=1,13·10¹¹/(κ²+1) - -
(5) где κ - измеренный показатель затухания промодулированной ЭМВ, Нп;
R - измеренное объемное сопротивление плазмы, Ом;
C_o - заданная погонная емкость длинной линии, Ф/м;
l - заданная толщина слоя плазмы, м;
ε_o - электрическая постоянная,
ε_o= (36π10³)^-1, Ф/м;
λ_o - заданная длина рабочей волны в свободном пространстве, м;
r_o - заданное погонное сопротивление длинной линии на рабочей частоте, Ом/м.

Устройство работает следующим образом.

Устанавливают заданную рабочую частоту на СВЧ-генератора, например ω= 2π10⁹ с^-1.

Устанавливают заданную длительность импульса модуляции согласно формуле (2), например τ_м= 1 мкс.

Заряжают измерительный конденсатор 5 по цепи заряда до величины начального напряжения заряда U_н. Величину U_н задают согласно выражению
U_o ≅ U_н≅0,1 E_p(R_o-r), (6) где U_o - заданная чувствительность регистратора, В;
Е_p - заданная напряженность плазменного поля, В/см;
R_o - внутренний радиус внешнего проводника коаксиального геометрического отрезка 7, см, например R_o=3,5 см;
r - радиус внутреннего проводника отрезка, см, например r=1,5 см.

Величины R_o и r определяются выбором типа и конструкции длинной линии. Величину напряженности плазменного поля E_p оценивают по формуле
E_р=4,2·10
(7)
где ν_эфмин - заданная величина эффективной частоты столкновений электронов по формуле (8), например ν_эф=1,5 ˙10¹² с^-1;
Т - температура электронов в газе, К;
δ- доля энергии, отдаваемая электроном при одном столкновении, например δ=10^-5.

Значение температуры электронов в газе находят так же как и p, из решения уравнения состояния газа в объеме с плазмой, например Т=3500 К.

Величину U_o определяют по паспорту регистратора.

Импульсы модуляции с модулятора 2 подают на вход внешней модуляции СВЧ генератора 1 и модулируют ЭМВ генератора. Полученную промодулированную ЭМВ с выхода СВЧ-генератора 1 через регулируемый аттенюатор 3 и первый направленный ответвитель 4 пропускают через герметичный отрезок 7 коаксиальной линии, заполненный плазмой. Ослабленная в результате взаимодействия с плазмой ЭМВ с выхода коаксиального отрезка 7 через второй направленный ответвитель 8 поступает на амплитудный детектор 9. Продетектированные импульсы с детектора 9 поступают на одни из входов регистратора 10 для регистрации.

В момент подачи импульса синхронизации с синхронизатора 11 запускается регистратор 10 и включается управляемый ключ 6 в цепи разряда измерительного конденсатора 5. Заряженный измерительный конденсатор 5 через ключ 6 и первый направленный ответвитель 4 подключается к коаксиальному отрезку 7, заполненному плазмой. Одновременно с прохождением ЭМВ по отрезку 7 с плазмой происходит разряд измерительного конденсатора 5 через плазму между проводниками коаксиального отрезка 7. Напряжение разряда с выхода коаксиального отрезка 7 через второй направленный ответвитель поступает на второй вход регистратора 10 для регистрации.

Продетектированные детектором 9 импульсы прошедшей через плазму ЭМВ и кривую напряжения разряда измерительного конденсатора 5 регистрируют на регистраторе 10.

Определение параметров N_е и ν_эф производят следующим образом. Измеряют амплитуду зарегистрированных продетектированных импульсов прошедшей через плазму ЭМВ. По измеряемым амплитудам вычисляют затухание ЭМВ в плазме и показатель затухания κ по формуле (3).

По зарегистрированной кривой разряда измерительного конденсатора 5 измеряют напряжение на конденсаторе U₁ в момент начала модулирующего импульса и U₂ в момент окончания модулирующего импульса. Сопротивление плазмы между проводниками коаксиального отрезка 7 вычисляют по формуле
R = где τ_м - заданная длительность модулирующего импульса, с;
С - емкость измерительного конденсатора, Ф.

Изобретение относится к области диагностики плазмы СВЧ методами и может быть использовано при лабораторных исследованиях различных плазменных образований. Цель изобретения - повышение точности определения параметров концентрации электронов N_e и ν_эф эффективной частоты столкновений в области концентраций электронов N_e>N_кр N_кр - критическая концентрация электронов, при которой частота ЭВМ ω=ω_p, где ω_p - плазменная частота электронов, и расширение номенклатуры исследуемых объемов с плазмой. Способ включает модуляцию ЭВМ импульсами заданной длительности, пропускание промодулированной ЭВМ через плазму по длинной линии, измерение затухания ЭВМ в плазме, измерение объемного сопротивления плазмы между проводниками длинной линии в течение длительности импульса модуляции, определение параметров плазмы N_e и ν_эф по формулам, приведенным в описании изобретения. В устройстве, реализующем способ, измерение затухания ЭВМ производят по определению отношения амплитуд прошедшей и падающей волн, измерение объемного сопротивления плазмы - по кривой разряда измерительного конденсатора известной емкости через плазму между проводниками длинной линии. Повышение точности определения параметров N_e и ν_эф достигается за счет измерения затухания ЭМВ и объемного сопротивления в одном эксперименте в один и тот же момент времени и на одном и том же профиле распределения электронов по энергиям и за счет учета конечной проводимости проводников длинной линии. Расширение номенклатуры исследуемых объемов с плазмой достигается за счет применения длинной линии для передачи ЭМВ через плазму и измерения объемного сопротивления плазмы. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОЙ ЧАСТОТЫ СТОЛКНОВЕНИЙ ЭЛЕКТРОНОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ определения концентрации и эффективной частоты столкновений электронов в низкотемпературной столкновительной плазме, включающий зондирование плазмы электромагнитной волной, распространяющейся по линии передачи, измерение затухания волны в плазме и определение концентрации электронов N_l и эффективной частоты столкновений ν_эф, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения параметров N_l и ν_эф в диапазоне концентраций электронов большей критической концентрации, определяемой плазменной частотой электронов, и расширения диапазона исследуемых объемов плазмы, в качестве линии передачи используют длинную линию, зондирование осуществляют импульсом длительности τ_м, одновременно в течение времени τ_м, измеряют объемное сопротивление плазмы между проводниками длинной линии, а концентрацию N_l, эффективную частоту столкновений ν_эф электронов и длительность импульса τ_м определяют из следующих соотношений:


τ_м<(δ·ν_эфмин)^-1, с,
где κ - измеренный показатель затухания зондирующей волны;
R - измеренное объемное сопротивление плазмы, Ом;
C₀ - заданная погонная емкость длинной линии, Ф/м;
l - заданная толщина слоя плазмы, м;
e_o - электрическая постоянная, ε_o=(36π·10⁹)^-1, Ф/м;
λ - заданная длина рабочей волны в свободном пространстве, м;
r₀ - заданное погонное сопротивление длинной линии на рабочей частоте, Ом/м;
d - доля энергии, отдаваемая электродом при одном столкновении, δ=10^-4-10^-6;
ν_эфмин - заданная минимальная эффективная частота столкновений электронов.