МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
отчет
по лабораторной работе №8
по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»
Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДОВ
Студент гр. 4209 |
|
Хабибулин А.Р. |
Преподаватель |
|
Лисенков А.А. |
Санкт-Петербург
2016
Цель работы.
Ознакомление с зондовой методикой диагностики газоразрядной плазмы и экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления.
Основные теоретические положения.
Газоразрядная плазма – это ионизированный газ, в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой, а дебаевский радиус экранирования существенно меньше характерного размера объема, в котором находится ионизованный газ. 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. В газоразрядной плазме электроны и ионы приобретают энергию под действием продольного электрического поля, поэтому энергия электронов и ионов выше энергии нейтральных атомов. В свою очередь, энергия электронов много больше энергии ионов. Объясняется это тем, что электроны, приобретая энергию в электрическом поле, теряют ее в результате соударения с атомами. В слабоионизованной плазме преобладают упругие соударения электронов с атомами, при этом обмен энергией зависит от отношения массы электрона к массе атома. Поскольку это отношение гораздо меньше единицы, то потери энергии электронов при соударении с атомами весьма малы. Для ионов получается другая ситуация: масса ионов соизмерима с массой атома и при упругом соударении с ним ион может терять значительную часть своей энергии.
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: ионов: . На рис. 1 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.
Рис. 1. Зондовая характеристика и метод ее обработки
Схемы измерений.
-
Схема измерения характеристик зонда
Рис.2. Схема экспериментальной установки
Характеристики диода.
Экспериментальные результаты.
-
ВАХ зонда при различных токах накала
при Iн= |
72 мА |
|
|
при Iн= |
60 мА |
U, B |
I, мА |
|
|
U, B |
I, мА |
-33,3 |
-0,01 |
|
|
-33 |
-0,01 |
-31 |
-0,01 |
|
|
-31,3 |
-0,009 |
-29 |
-0,01 |
|
|
-19 |
-0,008 |
-18,3 |
-0,008 |
|
|
-18 |
-0,007 |
-16,6 |
-0,007 |
|
|
-16,6 |
-0,005 |
-15,6 |
-0,004 |
|
|
-15,6 |
-0,002 |
-15 |
-0,001 |
|
|
-15,3 |
0 |
-14,6 |
0 |
|
|
-14,6 |
0,005 |
-14,3 |
0,002 |
|
|
-13,3 |
0,018 |
-14 |
0,005 |
|
|
-12,3 |
0,047 |
-13,6 |
0,01 |
|
|
-11,3 |
0,8 |
-13,3 |
0,015 |
|
|
-10 |
2 |
-12,6 |
0,031 |
|
|
-9 |
4,6 |
-12,3 |
0,046 |
|
|
-8 |
6,2 |
-9,3 |
1 |
|
|
-6,6 |
8,4 |
-8,3 |
4,8 |
|
|
-6,3 |
9,8 |
-8 |
6,4 |
|
|
-5,6 |
17,3 |
-7,3 |
8 |
|
|
-4,6 |
21,3 |
-6,6 |
9,6 |
|
|
-3,6 |
23,3 |
-6,3 |
17,3 |
|
|
-2,6 |
24,6 |
-5,6 |
20 |
|
|
-2,3 |
25 |
-5 |
22,6 |
|
|
-1,6 |
26 |
-4,6 |
24,6 |
|
|
-1 |
26,6 |
-4 |
26 |
|
|
0 |
27,3 |
-3,6 |
26,6 |
|
|
|
|
-3 |
27,3 |
|
|
|
|
-2,6 |
28 |
|
|
|
|
-2 |
28,6 |
|
|
|
|
-1,33 |
29,3 |
|
|
|
|
-1 |
30 |
|
|
|
|
0 |
30,6 |
|
|
|
|
Таблица 1. Протокол наблюдений
Исследование проводилось на зонде со следующими геометрическими размерами: h3=20 мм, d= 1 мм
Обработка результатов эксперимента.
-
Построим зависимости i3=f(U3) и ln[ie]=f(U3).
Для Iн= 72 мА:
Рис. 3. Зондовая характеристика при In=72мА
Рис.4. Зависимость ln(Ie)=f(Uз) при In=72 мА
Для Iн= 60 мА:
Рис. 5. Зондовая характеристика при In=60 мА
Рис.6. Зависимость ln(Ie)=f(Uз) при In=60 мА
-
Из графика зависимости можно определить температуру
электронного газа, а также потенциалы плазмы:
;
Для зонда при Iн= 72 мА:
Для зонда при Iн= 60 мА:
-
Определим продольный градиент поля и концентрацию частиц в зонде:
Для зонда при Iн= 72 мА:
Для зонда при Iн= 60 мА:
ВЫВОД: