ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДОВ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

ОБОРУДОВАНИЕ

1. Ознакомиться с основными характеристиками плазмы положительного столба газового разряда.

2. Ознакомиться с методами диагностики плазмы с помощью электрических зондов.

3. Провести измерение концентрации и температуры электронов по радиусу положительного столба, а также измерить продольный и радиальный градиенты потенциала.

1. Газоразрядная трубка.

2. Блок питания с миллиамперметром и вольтметром.

3. Стабилизированный источник питания.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Понятие плазмы.

Плазмой называется такое состояние вещества, когда существенная часть его атомов и молекул ионизована. Ионизация атомов и молекул может происходить при нагревании вещества до высоких температур – это так называемая термическая плазма. В газовом разряде ионизация может быть достигнута и при низкой температуре газа за счет протекания электрического тока.

Однако, не всякий ионизованный газ можно назвать плазмой. Для этого необходимо, чтобы размер ионизованной области значительно превышал так называемый «дебаевский радиус плазмы», определяемый соотношением:

.

Здесь , , соответственно концентрация, температура и величина заряда частиц сорта , - абсолютная диэлектрическая проницаемость. В СГС она равна 1.

Так как в газоразрядной плазме обычно температура электронов значительно превышает температуру ионов, то тогда приближенно будем иметь при

и при , .

Можно считать, что величиной дебаевского радиуса определяются размеры электронного облака, окружающего данный ион, при этом потенциал электрического поля, образованного единичным ионом, выражается зависимостью

т.е. экранируется на расстоянии равном .

С другой стороны, дебаевский радиус плазмы определяет предельное расстояние, на которое могут разделяться заряды за счет их тепловых скоростей. Если размер ионизованной области не превышает дебаевского радиуса, то квазинейтральность плазмы за счет разделения зарядов не сохраняется, и плазма ведет себя, как скопление свободных зарядов.

При обычно получаемых в газоразрядной плазме концентрациях электронов и температурах , дебаевский радиус очень мал:

Плазма очень малой концентрации порядка может существовать только в атмосфере или космосе.

По поведению в электрических и магнитных полях плазма резко отличается от обычного нейтрального газа. Плазма обладает высокой проводимостью при высокой температуре, приближающейся к проводимости металлов. В магнитном поле плазма ведет себя как своеобразное диамагнитное вещество. Плазму специально подобранным магнитным полем можно удерживать в фиксированном объеме на некоторое время, не допуская ухода плазмы на стенки.

Плазма может очень интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами, например, радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала. Основными параметрами плазмы, определяющими ее свойства, являются концентрация и температура заряженных частиц. Для определения этих параметров используется различные методы: интерферометрический метод по измерению показателя преломления плазмы, метод измерения интенсивности излучения сплошного и линейчатого спектров плазмы, метод измерения интенсивности рассеянного плазмой излучения лазера, метод основанный на просвечивании плазмы СВЧ излучением и др.

2. Метод электрических зондов.

Рассмотрим предложенный в 1924 г. И. Ленгмюром метод исследования плазмы с помощью электрических зондов. Суть метода заключается в измерении тока заряженных частиц на малый заряженный электрод, помещенный в плазму. Зависимость этого тока от потенциала электрода называется зондовой характеристикой.

Из зондовой характеристики при определенных условиях можно вычислить концентрацию и температуру электронов плазмы, потенциал плазмы в том месте плазмы, где размещен зонд, функцию распределения электронов по энергиям. Пусть мы имеем плоский, цилиндрический или сферический электрод (зонд), помещенный в плазму. Электроны и ионы в плазме, имея среднюю энергию и , в своем хаотическом движении будут сталкиваться с зондом и передавать ему свой заряд. Электроны вследствие малой массы, имеют большую скорость, поэтому, если на зонд не подано напряжение, он заряжается отрицательно. Образующее поле будет отталкивать электроны и притягивать ионы. Наконец, установиться равновесие, когда . Такой автоматически устанавливаемый потенциала изолированного зонда называется плавающим потенциалом. Если же потенциал зонда изменить с помощью внешней цепи, то равновесие нарушится и на зонд потечет ток, равный разности .

При очень большом потенциале зонда на зонд могут попасть заряды только одного знака, которые образуют вокруг зонда «слой» пространственного заряда. При этом ток на зонд существенно зависит от того, движутся ли зараженные частицы в слое без столкновений или сталкиваются с нейтральными атомами, т.е. длина свободного пробега заряженных частиц, больше чем толщина слоя или нет. Длины пробегов электронов и ионов в разреженном воздухе приблизительно равны:

при энергиях электронов 3-40 эВ,

. Здесь - давление воздуха в мм.рт.ст.

Толщина слоя пространственного заряда в случае отсутствия столкновений в слое определяется известным законом «3/2» электрического тока в вакууме:

- плоский зонд площадью ,

- цилиндрический зонд радиусом и длиной .

- сферический зонд радиусом .

Здесь - для ионов, - атомный номер иона.

-для электронов.

- потенциал зонда относительно плазмы, - ток на зонд в А, - толщина слоя в случае плоского зонда.

Для цилиндрического и сферического зондов по найденным значениям коэффициентов и по таблицам определяется отношение радиуса слоя к радиусу зонда.

rcл/rз	1,05	1,1	1,2	1,3	1,4	1,6	1,8	2,0
2	0,0025	0,0098	0,0385	0,0850	0,1485	0,3233	0,5572	0,8454
2	0,0024	0,0096	0,0372	0,0809	0,1396	0,2968	0,5020	0,7500

rcл/rз	2,4	2,8	3,2	3,6	4,0	4,6	5,0	6,0
2	1,5697	2,470	3,59	4,73	6,06	8,28	9,89	14,34
2	1,3580	2,100	3,00	3,91	4,97	6,71	7,98	11,46

rc/rз	8,0	10	14	20	30	60	100
2	24,8	36,98	65,35	115,65	214,42	582	1175
2	19,6	29,2	51,86	93,24	178,2	523	1144

В разрядах при низких давлениях обычно выполняются условия и , поэтому в дальнейшем ограничимся только этим случаем.