СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ Советский патент 1973 года по МПК G01N27/22 

1

Изобретение может быть исиользовано в лабораторных условиях для исследования плазмы газового разряда в газодинамических, ударных и других установках, а также в полете для исследования плазмы иоиосфер Земли и других планет и плазменных об|разований, возникающих вокруг летательных аппаратов.

Известны радиочастотные зонды, в том числе радиочастотные импедансные зонды, на которые подают модулированное по частоте напряжение, сигнал с зонда усиливают и выделяют огибающую модулированного напряжения, по которой судят об импедансе плазмы.

Недостатком известных зондов является погрешность измерений, возникающая из-за приэлектродного слоя, который окружает зонд.

Параметры приэлектродного слоя существенно отличаются от параметров невозмущенной плазмы. Информация, получаемая с помощью радиочастотного зо«да, дает усредненные значения параметров плазмы по некоторому объему, куда неизбежно входят дриэлектродные слои, что и вносит погрешность в измерения. Попытки учесть влияние приэлектродных слоев на результаты измерения не привели к желаемой цели из-за отсутствия данных о толщине и Д(ругих характеристиках

слоя. Получение этих данных равноценно процедуре диагностики плазмы.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем устранения влияния (приэлектродного слоя на результат измерения и расширение полезной информации о параметрах плазмы, получаемой в опыте с помощью импедансного радиочастотного зонда.

Это достигается путем одновременной подачи зондирующего напряжения модулированной радиочастоты и пилообразного напряжения лоложительной полярности на зонд, изолированный от корпуса летательного аппарата.

На фиг. 1 изображена блок-схема измерительного устройства; на фиг. 2 - резонансные кривые зонда; на фиг. 3 - форма измерительного сигнала.

От генератора 1 синусоидальное напряжение модулированной радиочастоты подают на резонансный чувствительный элемент 2 и на зонд 3. Одновременно с зондирующим напряжением от генератора 4 на зонд подают пилообразное напряжение положительной полярности, которое воздействует на приэлектродный слой, уменьшая его до нуля. Сиимаемые с зонда колебания зондирующей частоты, модулированные по амплитуде, усиливаются и детектируются соответственно в блоках 5 и 6,

в результате выделяют огибающую модулированного напряжения. Эта огибающая является измерителыным сигналом, несущим полезную информацию о параметрах плазмы.

Размах иилоабразного .напряжения выбирают таким, чтобы он примерно в два раза превыщал ожидаемое абсолютное значение плавающего потенциала. При таких параметрах пилы в каждый период ее действия потенциал зопда, непрерывно изменяясь, будет достигать значения плавающего потенциала зонда примерно на середине пилы, что необходимо для удобства отсчета результатов измерений.

На фиг. 2 и 3 приведены Г1рафи1ки, поясняющие принцип преобразования зо:ндирующего напряжения в измерительный сигнал. Сплошные кривые поясняют исходное состояние, когда зонд не погружен в плазму; штриховые относятся к рабочему режиму - зонд находится в исследуемой среде.

Амплитуда огибающей является функцией добротности резонансного чувствительного элемента или функцией активного сопротивления шунтирующего зонда, а сдвиг собственной частоты fp (обозначено fp, ) средней зондирующей частоты fo определяется разностью Ае между диэлектрической проницаемостью исследуемой юреды и воздуха. На практике сдвиг частоты определяют по напряжению расстройки At/ (см. фиг. 3). В исходном состоянии частоты fp и /о совпадают, (о) 0, и выходной сигнал изменяется с частотой, равной удвоенной частоте модулирующего напряжения. При погружении зонда в исследуемую плазму уменьшается добротность системы, что понижает максимум резонансной (Кривой и сдвигает всю кривую в область высоких частот, так как диэлектрическая проницаемость плазмы меньше единицы (фит. 2). На фиг. 3 показан ход измерительного сигнала при действии на зонд пилообразного напряжения. Ясно обозначен минимум Zmin на периоде развертки пилы, где и нужно проводить измерения. Измерив U (R) и ли (А/) в точках минимума и пользуясь тари ровочными графиками, производят расшифровку эксперимента, определяя последовательно а и Ае по известным формулам.

Измеренные значения активной Rm и реактивной Хт составляющих импеданса свободны от попрешности, вносимой приэлектродным слоем, а рассчитанные по этим данным электронная концентрация Пе и эффективная ча1стота столкновений электронов Vэфф будут достоверными параметрами исследуемой среды.

Кроме того, в области минимума импеданса на развертке пилы, .фиксируемого на записи изме|рительного сигнала, определяют по напряжению пилы значение плавающего потенКГ

циала Uau -j и, следовательно, электронную температуру Те (К - постоянная Больцмана, е - заряд электрона).

Приравнивая напряжение пилы UM в точ1ке минимума сигнала пространственному потенциалу, получим данные об электронной температуре Те .

i/M ИЛИ T, -Lu.

Таким образом, предлагаемый способ диагностики плазмы позволяет определить как электрофизические параметры плазмы - электропроводность а и диэлектрическую проницаемость , так и ее внутренние характеристики- электронную концентрацию Пе, эффективную частоту столкновения электронов vaфф и электронную температуру Те.

Предмет изобретения

Способ диагностики Плазмы с помощью импедансного зонда, при котором на зонд подают модулированное по частоте напряжение, сигнал с зонда усиливают, детектируют и выделяют огибающую модулированного напряжения, по которой судят об импедансе плазмы, отличающийся тем, что, с целью устранения влияния экранирующего приэлектродного слоя на результаты измерений, на зонд одновременно с модулированным напряжением подают медленно изменяющееся напряжение лоложительной полярности, а измерение импеданса производят в момент минимума величины огибающей модулированного напряжения, который достигается при изменении положительного напряжения на зонде.

J

Фиг, 1

Фиг д