ЭМИССИОННЫЙ ЗОНД Советский патент 1970 года по МПК G01N27/87 G01R19/155 

Изобретение относится к устройствам для измерения потенциала плазмы, а именно к эмиссионным зондам, предназначенным для )1еносредственного измерения потенциала и колебаний потенциала плазмы.

Известные эмиссионные зонды имеют термоэмнттер, подсоеди-ненный к схеме нагрева и к с.хсме измерения потенциала термоэмиттера, и изолирующий и проводящий экраны, закрывающие термоэмиттер и имеющие отверстие, через которое термоэмиттер сообщается с окружающей средой. Когда такой зонд при плавающем потенциале помещают в плазму, с поверхности термоэмиттера происходит эмиссия электронов в плазму в случае, если потенциал плазмы больще потенциала термоэмиттера, и термоэмиттер собирает электроны из плазмы при потенциале плазмы, меньщем или близком к потенциалу термоэмиттера. При этом потенциал термоэмиттера изменяется в соответствии с изменением потенциала плазмы.

Электроны, испускаемые термоэмиттером в плазму, создают вблизи поверхности зонда отрицательный объемный заряд, так называемый виртуальный катод, который ограничивает величину электронного тока с зонда в плазму. По этой причиие потенциал изолированного зонда будет меньще потенциала плазмы на величину электронной температуры плазмы. Только в частном случае - при равенстве температуры электронов плазмы и температуры поверхности зонда, точнее поверхности термоэмиттера, потенциал плавающего эмиссионного зонда будет равен.потенциалу плазмы. В этом случае зонд позволяет количественно измерить величину амплитуды колебаний потенциала плазмы до некоторой предельной частоты. . .

/,

Си

где f- предельная частота измеряемых колебаний потенциала,, /1 - ток электронов с зонда,, С - паразитная емкость между зондом

и землей, и - амилитуда колебаний потенциала

плазмы.. :

Ионный ток на зонд мал и его можно не учитывать в балансе токов. Однако на практике условие равенства температуры поверхности зонда температуре электронов плазмы встречается редко, а при температуре поверхности зонда, меньщей температуры электронов плазмы, эмиссионный зонд при плавающем потенциале позволяет проводить лищь качественные измерения потенциала и колебаний потенциала плазмы.

также амплитуды и формы колебаний потенциала плазмы при любол значении электронной температуры плазмы, а также расширение границы частоты колебаний потенциала плазмы, на которую зонд реагирует без искажений.

Согласно изобретению, указанная цель достигается введением в конструкцию зонда резервуара, содержащего вещество, имеющее потенциал ионизации паров, близкий к работе выхода термоэмиттера, например щелочные металлы: цезий, рубидий, калий, и размещением этого резервуара внутри экранов в тепловом контакте с термоэмиттером.

На чертеже показана схема эмиссионного зонда.

Зонд содержит эмиттер, например танталовую спираль /, токовводы 2, резервуар с рабочим веществом 3, керамические изоляторы 4, экранирующую керамическую трубку 5, металлический экран 6 с наружным диаметром 0,4 см, имеющий отверстие 7 со стороны торца зонда, импульсный источник тока 8 для накала спирали и осциллограф или иное регистрирующее устройство 9.

Импульсный источник тока 8 нагревает танталовую спираль 1, расположенную в трубчатом токовводе 2 до температуры 2000-2500°К. В отсеке токоввода между керамическими изоляторами 4 помещается, например, хлористый цезий 3. От спирали хлористый цезий нагревается до температуры 500-600°С и в виде пара подается через зазор между трубчатым токовводом 2 и передним изолятором 4 ,на танталовую спираль /. Молекулы хлористого цезия диссоциируют на горячей поверхности тят таловой спирали, цезий ионизуется, образуя плазму из ионов цезия и термоэлектронов, которая вытекает через отверстие 7, образованное внутренним диаметром спирали.

Таким образом, отверстие 7 является источником электронов и ионов с температурами, равными приблизительно температуре поверхности танталовой спирали. При этом если зонд находится при отрицательном потенциале относительно потенциала измеряемой плазмы 10, с него уходят электроны и заряжают зонд до потенциала плазмы; при положительном потенциале зонда относительно потенциала плазмы на его открытую поверхность приходят электроны из плазмы и также заряжают зонд до потенциала плазмы.

В качестве импульсного источника тока можно использовать однополупериодный выпрямитель, для того чтобы производить измерения потенциала плазмы в момент времени,

когда спираль эквипотенциальна. Потенциал зонда относительно земли можно измерять, например, осциллографом 9 с высокоомным входом и наблюдать визуально или фотографировать на пленку. В качестве рабочего вещества могут быть применены также цезий, рубидий, калий.

С целью увеличения границы измерения колебаний потенциала плазмы по частоте в качестве источника накала рабочей поверхности зонда можно применить лазер с мощностью излучения 0,5-2 вт. Это позволит уменьшить длину токовводов, оставив лишь один вывод от зонда, что вызовет уменьшение емкости С,

а также позволит уменьшить габариты зонда. Условие эквипотенциальности накаленной поверхности зонда выполняется в процессе всего времени измерений.

Зонд может быть изготовлен в виде трубки

с внутренним диаметром 0,02-0,03 см и наружным - 0,04-0,05 см, через которую подается пар цезия. Торцовая часть трубки нагревается лучом лазера, внутренняя поверхность трубки испускает электроны и ионы

цезия, образуя плазму, которая вытекает из отверстия трубки. Холодный зонд такой конструкции может быть использован как обычный ленгмюровский зонд для из.мерений других параметров плазмы.

Предмет изобретения

1.Эмиссионный зонд для непосредственного измерения величины и колебаний потенциала

плазмы, содержащий наружный металлический экран с входным отверстием, изолирующий слой, закрывающий внутреннюю поверхность металлического экрана, термоэмиттер, расположенный внутри экрана вблизи входного отверстия, схему, обеспечивающую заданный, например импульсный, нагрев термоэмиттера, и схему измерения потенциала эмиттера, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения потенциала плазмы, особенно при ее высокой электронной температуре, зонд содержит резервуар, расположенный внутри экрана в тепловом контакте с термоэмиттером и содержащий вещество, характеризующееся потенциалом ионизации, близким

к работе выхода термоэмиттера, например щелочные металлы.

2.Эмиссионный зонд по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона частот измеряемых колебаний потенциала плазмы,

схема нагрева термоэмиттера содери ит лазер, облучающий термоэмиттер.