 |
|
АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология |
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДОВ
Газоразрядная плазма – это ионизированный газ, в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой. Примером низкотемпературной плазмы является положительный столб тлеющего разряда и дуги низкого давления. Плазма положительного столба в осевом направлении однородна и стационарна во времени. Распределение электронов по скоростям является, как правило, максвелловским, при этом хаотическое движение частиц преобладает над их направленным движением. Основные параметры плазмы: концентрация, температура и скорость заряженных частиц, потенциал пространства и градиент потенциала, направленная скорость частиц могут быть определены с помощью метода электрических зондов, разработанного Ленгмюром (1924). Зонд – это вспомогательный металлический электрод, который вводится в плазменный объем для его исследования. Размеры зонда выбираются обычно достаточно малыми, чтобы можно было пренебречь падением потенциала вдоль зонда и искажениями поля, вносимыми зондом в исследуемый разряд. Применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Относительно одного из электродов на зонд задается потенциал и снимается зависимость поступающего тока от значения этого потенциала. Параметры плазмы определяются из вольт-амперной характеристики зонда. Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов На рис. 6.1, а представлена типичная зондовая характеристика, получаемая при погружении в плазму вспомогательного электрода. Ток частиц, поступающий на поверхность, зависит от приложенной разности потенциалов между плазмой и рабочей поверхностью зонда. Большим отрицательным потенциалам зондасоответствует участок ab, когда от него отталкиваются практически все электроны. В этом случае вокруг зонда формируется слой положительного объемного заряда, поле внутри которого уменьшается от зонда к границе невозмущенной плазмы. Толщина слоя автоматически устанавливается такой, чтобы положительный заряд ионов нейтрализовал бы действие отрицательного потенциала зонда. За пределами этого слоя влияние зонда на плазму не ощущается.
Электроны, приходящие из плазмы и не имеющие достаточной энергии для преодоления тормозящего поля, отталкиваются, а положительные ионы, приходящие к оболочке и проникающие в нее, попадают в ускоряющее поле и перемещаются к зонду. Ток на зонд обусловлен исключительно положительными ионами. В пределах области плазмы, непосредственно примыкающей к слою, окружающему зонд, концентрация ионов спадает по следующему закону:
где j i – плотность беспорядочного ионного тока в плазме; S – приемная поверхность зонда. В неподвижной плазме ток насыщения ионов на зонд связан лишь с ее эмиссионной способностью. На внешней границе слоя объемного заряда существует переходная область, в которой находятся не только ионы, но и наиболее подвижные электроны плазмы. Толщина этой области значительно меньше толщины слоя при значительных отрицательных потенциалах зонда. С уменьшением (по абсолютному значению) отрицательного потенциала, задаваемого на зонд, уменьшается и толщина слоя, но ионный ток на зонд при этом остается неизменным. Крутой подъем характеристики на участке bd связан с появляющейся возможностью выхода из плазмы на зонд электронов, способных преодолеть действие тормозящего поля. Зависимость концентрации электронов от координаты, отнесенное к единице времени и единице поверхности зонда, имеет вид
где n 0 – концентрация электронов на границе слоя; U ст – потенциал изолированной стенки, или плавающий потенциал плазмы; U 0 – потенциал пространства в точке расположения зонда. За счет попадающих на зонд электронов ток в цепи зонда уменьшается, так как часть заряда, отдаваемого зонду положительными ионами, компенсируется приходящими из плазмы электронами. При некотором значении потенциала токи на зонд выравниваются и в точке c потенциал становится равным нулю. В этом случае потенциал зонда равен потенциалу изолированной стенки и называется плавающим потенциалом. Электронный ток, протекающий в цепи зонда, зависит от величины потенциала:
При дальнейшем уменьшении потенциала ток на зонд становится преимущественно электронным и при этом быстро нарастает по закону Больцмана до тех пор, пока потенциал зонда не сравняется с потенциалом окружающей его плазмы. Потенциал зонда в точке излома (точка d) соответствует потенциалу пространства, т. е. плазмы в точке расположения зонда. При этом потенциале положительный слой объемного заряда вокруг зонда исчезает. Зонд становится как бы прозрачным для электронов и ионов. Они приходят к нему в процессе беспорядочного движения, не испытывая при этом ни притяжения, ни отталкивания. Ток на зонд равен разности плотностей беспорядочных электронного и ионного токов, умноженной на площадь зонда. Из условия равенства токов
Дальнейшее повышение положительного потенциала зонда приводит к быстрому излому в ходе зондовой характеристики (участок de). При дальнейшем повышении потенциала около зонда формируется уже электронная оболочка. Положительные ионы, входя в оболочку, испытывают действие поля зонда и выталкиваются обратно в плазму, а электроны, попадая в ускоряющее для них поле, уходят на зонд. Поскольку с ростом толщины оболочки ее поверхность почти не изменяется, неизменным остается и электронный ток на зонд (участок ef):
При рассмотрении изменения электронного тока на восходящем участке зондовой характеристики предполагают, что электроны имеют максвелловское распределение по скоростям. В этом случае число электронов, попадающих в единицу времени на единицу площади зонда перпендикулярно к его поверхности в интервале скоростей от
При этом следует уточнить, что на зонд попадают только те электроны, у которых составляющая скорости
или после логарифмирования:
Полученное уравнение показывает, что зависимость логарифма плотности электронного тока на зонд от потенциала зонда (при отрицательных относительно плазмы потенциалах) имеет линейный характер (рис. 6.1, б). Угол наклона этой прямой к оси абсцисс a удовлетворяет соотношению
откуда определяется температура электронов
где На практике логарифмируют не плотность электронного тока на зонд, а полный электронный ток на зонд. То, что экспериментальные полулогарифмические характеристики Зная температуру и плотность беспорядочного электронного тока в плазме, можно определить концентрацию электронов и равную ей концентрацию положительных ионов в плазме:
Для определения продольного градиента потенциала необходимо в плазме иметь два зонда с известным расстоянием между ними l, тогда
где U п1, U п2 – потенциалы плазмы в месте установки первого и второго зондов. Для определения направленной скорости электронов необходимо иметь два зонда, тогда
где i e1 – ток первого зонда; i e2 – ток второго зонда. Вместо . Дата добавления: 2015-09-18 | Просмотры: 601 | Нарушение авторских прав |
.
а
б
, при этом их скорость равна 
. Ионный ток на границе слоя пространственного заряда составляет величину 
, где S – площадь слоя, окружающего зонд. При большой поверхности зонда его площадь можно принять равной площади слоя. Отсюда ионный ток насыщения на плоский зонд определяется выражением
,
,
.
можно найти потенциал плазмы:
.
.
до (
), определятся как
.
. Следовательно, полное число электронов, достигающих зонда, определяется интегрированием этого выражения в пределах от 
до 
. Умножив данное выражение на заряд электрона, получим плотность электронного тока на зонд при его потенциале 
относительно плазмы:
.
,
,
– приращение логарифма электронного тока; 
– вызвавшее это приращение изменение потенциала зонда.
действительно имеют прямолинейный участок, подтверждает правильность предположения о максвелловском характере распределения электронов по скоростям (энергиям) в плазме.
.
,
,
допустимо применять 
при 
.