АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Метод двойного зонда

Метод двойного зонда предназначен для исследования плазмы в отсутствии опорного электрода и заключается в помещении в плазму двух одинаковых зондов, подключенных через потенциометр к источнику постоянного тока таким образом, чтобы обеспечивалась возможность изменять не только напряжение между зондами, но и полярность (рис. 1.11). Минимальное расстояние между зондами определяется тем расстоянием, на котором еще отсутствует экранирование одного зонда другим.

Рис. 1.11. Электрическая схема подключения двойного зонда	Рис. 1.12. Характеристика симметричного двойного зонда

Если используются зонды одинаковых размеров, то и параметры плазмы в точках расположения зондов одинаковы. Вольт-амперная характеристика такой системы симметрична относительно точки, в которой ток обращается в ноль (рис. 1.12).

В случае различия потенциалов плазмы в точках расположения зондов характеристика двойного зонда смещается вдоль оси напряжений на величину (рис. 1.12). Сдвиг характеристики по оси напряжений может наблюдаться и при измерениях в плазме с переменными полями в случае сильной неоднородности последних. Переменное поле ведет к искажению вольт-амперной характеристики и изменению плавающего потенциала зондов.

Токи, идущие на каждый из зондов, равны по величине и противоположны по знаку. При изменении напряжения между зондами в системе с одинаковыми зондами ток будет ограничиваться током насыщения зонда, собирающего ионы.

Потенциал каждого из зондов: – первого, – второго, а – разность потенциалов между зондами, относительно плазмы будет устанавливаться таким образом, чтобы их токи оказались равными. Отсюда же следует, что оба зонда всегда находятся при отрицательных потенциалах относительно плазмы. Поскольку электронный ток экспоненциально растет при приближении потенциала зонда к потенциалу плазмы, потенциал зонда, собирающего электроны, лишь незначительно отличается от плавающего потенциала. При больших приложенных напряжениях практически все оно сосредоточено у зонда, собирающего ионы, а характеристика совпадает с характеристикой ионного тока насыщения одиночного зонда.

Характеристика двойного зонда в переходной области :

.

Если предположить, что ионный ток не зависит от потенциала, т. е. характеристика находится в области насыщения, то исключая и , получим

(1.74)

где I (U) – ток, протекающий в цепи двойного зонда; – ионный ток насыщения; – напряжение между электродами двойного зонда; – разность потенциалов пространства в местах нахождения зондов.

Выражение (1.74) хорошо соответствует переходной области вольт-амперной характеристики.

Двойной зонд имеет ряд преимуществ перед одиночным зондом:

– измерения проводятся в отсутствии электродов в плазме, относительно которых измеряется вольт-амперная характеристика одиночного зонда;

– система является «плавающей» (изолированной), и искажения плазмы зондом при измерениях значительно меньше.

Двойной зонд может использоваться при измерениях в сильных магнитных полях. Это связано с тем, что измерения ведутся в области ионного тока насыщения, а ионы остаются незамагниченными в достаточно сильных магнитных полях (когда электроны уже замагничены). В этом случае можно пользоваться теориями ионного тока на зонд в отсутствии магнитного поля.

Основные недостатки двойного зонда – невозможность измерения энергетического распределения электронов и невозможность определения потенциала пространства.

Двойной зонд позволяет определять температуру электронов и по ионному току насыщения – концентрацию заряженных частиц.

Электронная температура может быть определена несколькими способами:

– метод эквивалентного сопротивления:

. (1.75)

где – эквивалентное сопротивление и представляет собой наклон ВАХ двойного зонда при ;

– метод полулогарифмического графика, аналогичный для обработки ВАХ одиночного зонда:

. (1.76)

Для определения концентрации заряженных частиц необходимо использовать теоретические представления об ионном токе на зонд, соответствующие условиям экспериментов. Эта процедура затрудняется тем, что зависимость может быть получена в том случае, если определен потенциал зонда относительно плазмы , т. е. известен потенциал плазмы . В рамках двухзондовой методики не может быть определен, и поэтому определение концентрации ионов проводится при больших значениях U, когда .

В экспериментах часто размеры зондов оказываются не строго одинаковыми. Это ведет к тому, что наклоны характеристик в области ионного тока различаются. Для определения концентрации заряженных частиц по ионному току насыщения используется усредненное по двум ветвям значение ионного тока. К аналогичному различию могут приводить отличия в параметрах плазмы в местах расположения зондов.

На вид получаемой характеристики двойного зонда оказывает влияние и чистота поверхности. Изменение ее состояния ведет к появлению на ней перегибов.

3.4. ДИАГНОСТИКА ДВИЖУЩЕГОСЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА

Для построения реальной картины процессов, протекающих в вакуумно-дуговом устройстве, необходимо иметь достаточно полную информацию о параметрах генерируемого плазменного потока: концентрации заряженных частиц, их температуре и скорости.

Благодаря своей простоте и надежности, самым распространенным методом диагностики параметров плазмы на практике является зондовый [141]. Модификация зондового метода, предложенная Ленгмюром, состоит в том, что на зонд задается потенциал относительно одного из электродов и снимается зависимость тока на зонд от величины этого потенциала. Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов .

Электронный ток насыщения на зонд связан с тепловой скоростью электронов , значительно превышающей скорость , поэтому ход электронной зависимости в этом случае практически не изменяется от хода зависимости в неподвижной плазме. Однако при этом, следует учитывать наличие магнитно го поля, с ростом которого наблюдается сдвиг плавающего потенциала зонда. Наблюдаемые изменения происходят не из-за изменения потенциала плазмы, который в условиях термодинамического равновесия не зависит от величины магнитного поля и равен химическому потенциалу, а за счет уменьшения падения напряжения на призондовом слое. Таким образом, для замагниченной плазмы температуру электронов можно определять стандартным способом по начальному участку полулогарифмической зондовой характеристики:

, (3.11)

где − приращение логарифма электронного тока; − вызвавшее это

приращение, для концентрации электронов можно использовать соотношение

. (3.12)

Ионный ток насыщения в неподвижной плазме определяется значением

ионно-звуковой скорости, которая, в свою очередь, меньше скорости распространения плазменного потока . По этой причине ионная ветвь зондовой характеристики в потоке движущейся плазмы по величине тока насыщения существенно отличается от таковой для неподвижного плазменного образования. При диагностике плазменного потока ионная ветвь зондовой характеристики также зависит как от формы зонда, так и от ориентации его в пространстве.

Анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных указывает на значительные расхождения при выборе величины приемной поверхности цилиндрического зонда. Для получения достоверных результатов экспериментально изучались особенности взаимодействия плазменного потока с цилиндрическими объектами, диаметр которых варьировался в широких пределах. Было получено, что за преградой образуется свободная от плазмы область, а плазменный поток расширяется со скоростью, определяемой скоростью ионного звука . Угол при вершине треугольной области a можно определить из соотношения [142]:

. (3.13)

Анализ шлифов поперечного сечения исследуемых образцов показал, что покрытие формируется исключительно на поверхности, обращенной к источнику плазмы (рис. 3.14). Получаемая толщина наносимого покрытия dприблизительно пропорциональна косинусу угла j между вектором скорости потока и внешней нормалью к поверхности:

, (3.14)

где d₀ − толщина покрытия на участке ортогональном вектору .

Исходя из того, что толщина покрытия связана с осаждением ионов из плазмы наносимого материала, величина d пропорциональна плотности ионного тока на различные участки обрабатываемой поверхности. Из выражения (3.14) следует, что эффективной приемной поверхностью зонда для ионов является площадь продольного сечения зонда, определяемая произведением

Рис. 3.14. Шлиф цилиндрического образца
Рис. 3.15. Осциллограмма ионного тока насыщения на вращающийся в потоке плазмы плоский зонд	Рис. 3.16. Влияние ориентации плоской поверхности зонда на ионный ток насыщения
Рис. 3.17. Блок усиления	Рис. 3.18. Блок мультиплексора

, где − радиус, а − высота приемной поверхности зонда, в то время

как для электронов эта приемная поверхность определяется выражением . Эти соотношения справедливы, если толщина пограничного слоя существенно меньше диаметра зонда и если .

Данное обстоятельство учитывается при определении концентрации ионов в потоке, а также при вычислении скорости плазменного потока по данным, получаемым из зондовых измерений:

;

, (3.15)

где , – токи насыщения электронов и ионов на зонд.

Т а б л и ц а 3.2

Скорость распространения плазменного потока

Материал	Al	Ti	Cu	Zr	Mo
, м / с	1.3·104	1.2·104	1.0·104	1.1·104	1.5·104

В табл. 3.2 представлены значения скорости распространения плазменного потока, генерируемого вакуумным дуговым источником плазмы коаксиальной конструкции диметром 60 мм, полученные предложенным зондовым методом. Данные результаты находятся в хорошем соответствии с литературными источниками.

Ситуация в плазменном потоке несколько меняется при ее взаимодействии с преградой произвольной формы. Для экспериментального рассмотрения вопросов взаимодействия плоскости, произвольно ориентированной в пространстве, с заряженной компонентой плазменного потока был изготовлен макет с плоской приемной поверхностью с одной стороны и с полностью изолированной – другой [143].

Макет устанавливался на валу электродвигателя, что обеспечивало изменение условий взаимодействия потока с приемной поверхностью при его вращении. На исследуемую поверхность задавался отрицательный потенциал, обеспечивающий протекание ионного тока насыщения. Величина тока ионов, поступающих из плазмы на поверхность в зависимости от ее ориентации относительно вектора скорости плазменного потока, регистрировалась с помощью осциллографа. Для сглаживания шумов, связанных с колебаниями тока вакуумной дуги, сигнал на осциллограф подавался через интегрирующую цепочку. Роль ориентации поверхности в потоке разреженной металлической плазмы на величину ионного тока представляется в виде суммы двух составляющих:

. (3.16)

Величина не зависит от ориентации поверхности относительно плазменного потока и связана лишь с выходом ионов из плазмы с ионно-звуковой скоростью .

Взаимодействие приемной поверхности с плазменным потоком целесообразно представить отношением ионного тока на нее при угле к зафиксированному значению тока при . На основании выражения (3.15), отношение записываются в следующем виде:

. (3.17)

Полученные результат представлены на рис. 3.15, где также приведены экспериментальные результаты измерений ионного тока при различных углах ориентации приемной поверхности (рис. 3.16). Упоминаемые значения скорости плазменного потока и ионно-звуковой скорости и были получены с помощью зондовых измерений.

Для автоматической диагностики параметров плазменного потока на базе отработанных алгоритмов расчета была разработана схема с применением микроконтроллера PIC16F877, управляющего ключевыми элементами электрической схемы: мультиплексором, широтно-импульсным модулятором и блоком питания.

Основная цель системы заключается в оцифровке и анализе фиксируемых токов с усилителей. В цифровой код переводятся импульсы длительностью до 100 мкс. В этой роли выступает микроконтроллер, хотя рассматривалась возможность совмещения схемы усилителя с интегратором путем установки конденсатора в обратную связь.

Микроконтроллер, используемый в устройстве для выполнения действий по сбору, обработке и передачи информации, работает на частоте 20 МГц, совершая порядка миллиона операций в секунду. Этого вполне достаточно для скоростной регистрации протекающего зондового тока при плавном изменении напряжения от − 100 В до 0.

Контроллер производит оцифровку одного из входных аналоговых каналов. В этом ему помогает один прецизионный аналоговый мультиплексор МАХ306. Микросхема позволяет мультиплексировать 16 входных сигналов в один выходной. Микроконтроллер производит не только выборку номера оцифровываемого канала, но и управляет режимом работы чипа, что позволяет в необходимый момент произвести полное отключение контроллера от внешних аналоговых цепей.

Микроконтроллер управляет такой важной составной частью, как источник питания, с помощью которого собственно и осуществляется рабочий процесс: микроконтроллер вырабатывает импульсы, необходимые для управления широтно-импульсным модулятором (ШИМ) блока питания, плавно изменяя напряжение и считывая регистрируемую величину тока с зонда.

Разность потенциалов на датчиках, установленных в рабочем объеме, создается обратноходовым источником питания. В цепи разъемов Х 1 и Х 2 находится резистор R 1.1, к которому параллельно присоединен усилитель DA 1.1, снимающий падение напряжения с резистора и усиливающий его значение.

Поскольку входные значения токов могут колебаться в пределах от десятков миллиампер до единицы ампер, в зависимости от тока разряда и типа датчика, было решено расширить динамический диапазон работы усилительного каскада, путем включения в его обратную связь необходимого набора резисторов.

Наличие нескольких электрических аналоговых ключей позволяет выбрать необходимую обратную связь для подключения в данный момент. Использовалась микросхема МАХ335, представляющая набор из восьми аналоговых ключей с последовательным цифровым управлением, что позволяет иметь семь диапазонов усиления с возможностью использования тестового сигнала, при этом число управляющих сигналов сведено к минимуму. Код состояния ключей передается последовательно через вход Din и синхронизируется входом CLK. Спустя восемь тактов CLK, импульсы на выходе Dout полностью повторяют последовательность импульсов, подаваемую на вход Din, что позволяет применять последовательное каскадирование микросхем и пользоваться одним цифровым входом для настройки работы всего каскада.

Это необходимо, поскольку в измерениях наблюдается большой разброс значений регистрируемых токов. Поэтому существует необходимость в оказании помощи операционному усилителю с учетом сигналов. Для этого в обратную связь операционного усилителя включен переключатель – микросхема, которая и выбирает определенный резистор, необходимый для текущего случая в импульсе сигнала зонда.

На гребенку из 10 плоских зондов, расположенных на расстоянии 15 мм друг от друга, подается импульсное пилообразное напряжение, изменяющееся указанном диапазоне. Результаты обрабатываются компьютером.

Данные, принятые и обработанные микроконтроллером, передаются персональному компьютеру в надлежащем сигнале, через оптроны, которые осуществляют гальваническую развязку и защиту устройств компьютера от высокого напряжения. Компьютер получает данные через интерфейс RS232 (COM port). Для написания и отладки использовалась программа MPLAB-IDE, состоящая из программы-оболочки, текстового редактора, ассемблера-компилятора и программного отладчика. Язык программирования Си. Большая часть работы по отладке выполнена в программном симуляторе пакета MPLAB. В качестве программатора предполагается использовать программатор, работающий с микроконтроллерами типа PICmicro.

Результатами измерений являются: вольт-амперные характеристики зондов, их полулогарифмическая часть, плотность заряженных частиц, температура электронов, скорость плазменного потока и потенциал плазмы [144]. Все представленные распределения плотности ионного тока в рабочем объеме получены предложенным методом.

Дата добавления: 2015-09-18 | Просмотры: 1862 | Нарушение авторских прав