Мифы о звукоизоляции Как построить дом из пеноблоков Как построить лестницы на садовом участке Подбираем краску для ремонта Каркасные дома из дерева |
Главная » Исследование электронно-пучковой плазмы 1 2 Рис.13. Вольтамперная характеристика зонда в магнитном поле при Ile При xi < 1 следует pivi заменить на тепловой поток noVTj /4. Из (13) и (14) видно, что электронный ток при а << 1 и ионный при в << 1 экспоненциально растут с изменением потенциала и уже при а, в = 1 / e близки к бомовским Ii При значениях потенциала в интервале между Ve = V(а = 1 / e, в = 1) и Vi = V(в = 1 / e, а = 1) на зонд текут практически оба тока насыщения. Поэтому идеализированная вольтамперная характеристика должна иметь вил [7], изображенный схематически на рис.13. Вид этот довольно сложный, и характеристика содержит разнообразную информацию о параметрах плазмы. Температуру электронов Te и ионов T можно определить по начальным экспоненциальным участкам характеристик I и II. При этом, чтобы с помощью одной зондовой характеристики получить обе температуры, значения токов насыщения должны быть сравнимы. По известным Te и T измерения концентрации заряженных частиц можно выполнить тремя способами: по значениям электронного и ионного токов насыщения If и IB .по формулам (4) и (5), а также по плато III на характеристике, соответствующей разности этих значений. Значения потенциалов Ve и Vi отсчитываются от потенциала пространства vsa i который по этим значениям определяется двумя независимыми способами. В [7] также отмечено, что характеристики а^), вО7), определяемые по (12), (13) при 0,2 < а, в < 0,8с погрешностью меньше 5% являются линейными функциями с наклоном (1 + -J1 + Tt /Te)-2 = TeAIe / eIf AV. Это дает возможность определить температуру частиц плазмы более точно, чем по экспоненциальным частям характеристики. Ширина плато / в зависимости от условий может быть как мала, так и велика. Если Te = T = T и xi > 1, то [7] <P,-<Pe 0,3a2 vi Q e (15) или если a >> pe, b >> vT / vi. При записи Ширина плато будет значительна, если If гидродинамических уравнений для электронов и ионов предполагалось, что электроны и ионы имеют максвелловское распределение. В сильном магнитном поле, в частности, когда нарушаются условия (2), зонд любой формы действует фактически как плоский, собирая заряженные частицы с поверхности, перпендикулярной Н. Работа плоского зонда в поперечном магнитном поле обсуждается в [8]. 2. Измерение ФРЭ в магнитном поле Вид зондовой характеристики в магнитном поле был рассмотрен раньше. Было показано, что если ларморовский радиус для электронов Pe больше длины пробега электрона e [параметр Хе (1) много меньше единицы], то магнитное поле слабо влияет на зондовую ВАХ. Оценки показывают, что это выполняется для полей с напряженностью Н < 1 05 А/м. Электронный ток на зонд при сильном влиянии магнитного поля (Хе>> 1 ). Было показано, f (eV) Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РАССИИ 209 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/019.pdf что длина релаксации электронов по энергии вдоль и поперек поля различна. Для зонда в форме эллипсоида вращения с большей полуосью в направлении вдоль поля. Тогда, дифференцируя электронный ток на отталкивающий зонд выражается по потенциалу V , получа- 64 e 2(eVf2 dV (16) Видно, что в сильном магнитном поле так же, как и при повышенных давлениях, ФРЭ связана с первой производной электронного тока по потенциалу зонда. III. Определение параметров пучковой плазмы в магнитном поле из анализа зондовой ВАХ. Геометрические параметры и положение электрического зонда в плазме должны удовлетворять некоторым условиям в зависимости от напряженности и формы магнитного поля, ожидаемых плотности и температуры плазмы, а так же давления газа(2)[8,9]. То из условий эксперимента найдена форма зонда в виде вытянутого эллипсоида вращения с большой полуосью Ь=5мм, направленной вдоль магнитного поля, и малой полуосью a=0.1мм. При этих условиях была снята ВАХ зонда в плазме разных газов (воздух, Аг, N2) и на разных расстояниях от оси электронного пучка (рис. 1 5). После обработке ВАХ получены потенциал плазмы, а также плотность и температура электронов плазмы. Опыты проведены, выполняя условие показанные раньше(2), где характеристики зонда равны (а=0,1мм, Ь=5мм). Проводящая часть зонда, находящаяся в плазме выполнена из вольфрама, изолирующая часть зонда изготавливается из стекла. Зонд располагался на разных расстояниях (Х[см]) от электронного пучка, поперёк магнитного поля, с помощью электрической системы (рис. 1 4.). Плазма возникает из-за возникновения неустойчивости и при прохождении пучка в выбранных параметрах установки. -1-О 1К 1К 0-100 B О 2 М^Ф Рис.14. Электросхема системы 1 . Определение пространственного потенциала плазмы. Пространственного потенциала плазмы V0 в месте помещения зонда определяется по точке пересечения линий прямолинейного участка зависимости ln ie = f (V) и следующего за ним участка с меньшим углом наклона, рис. 1 6.б. Излом зондовой ВАХ /точка о/ обусловлен тем, что экспоненциальная зависимость тока на зонд имеет место только при отрицательном относительно потенциала пространства плазмы потенциале зонда V < V0 . Точка излома соответствует V= V0 . Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РАССИИ 210 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/019.pdf При обработке зондовых ВАХ на ЭВМ для определения V0 используется метод, основанный на анализе производных электронного тока ie(V),(V),... причем чем выше порядок производной, тем резче она изменяется при переходе через V0 . Однако, так как точность операции численного дифференцирования падает с ростом порядка производной, оптимальность вычислений обеспечивается при анализе первой производной, максимум которой с достаточной точностью приходится на значение V= V0.
Рис.15.: Экспериментальные зондовые кривые в плазме N2, Ar и воздух. Верхняя- ВАХ, нижняя- первой производной ie (V ) , максимум которой с достаточной точностью приходится на значение V= V,.
Из приведенных кривых получены следующие результаты:
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РАССИИ 211 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/019.pdf 2. Определение электронной температуры плазмы. Из полного зондового тока выделяется электронная составляющая ie (чисто электронный ток) вычитается из полного зондового тока согласно соотношению i = ie + ii, но так как ie <0, ii >0, то ie = ii + i . Ионный ток обычно экстраполируется линейно из той области, где он является преобладающим /V << Vm /, в ту область, где преобладает электронный V < V < V0)). По данным зондовой ВАХ i = f (V)/рис. 16.а/ строится зависимость ln ie = f (V)/рис. 16.б/. Согласно теории ln ie = ln[ene0S(kTe / 2mm/2 ] - ln e(V -V0) (17) Рис.16.: а/ экспериментальная зондовая кривая, б/ электронная составляющая зондового тока: V0 - потенциал пространства, Vm - плавающий потенциал. /пунктир - экстраполяция ионного тока линейной зависимостью/ При наличии в плазме максвелловского распределения на графике /рис. 16.б/ обнаруживается прямолинейный участок АО. Производная логарифма электронного тока (1 7) по V равна тангенсу угла наклона ln ie = f (V) при графической обработке. Для определения kTe получаем формулу: AV(B) (eV) (18) A ln i A ln i I е I lei В случае, когда реальная функция распределения по скоростям отличается от максвелловской, например обеднена быстрыми электронами за счет неупругих процессов в плазме, по электронной составляющей зондовой ВАХ определяется так называемая эффективная температура электронов соответствующая средней энергии электронов <£>=- KT, . В этом случае процедура e33(p остается той же, что и при максвелловском распределении /формула(1 7)/, но при этом используется не произвольный участок ВАХ, а области потенциалов e V - V0 << £ >. Определение Теээф на ЭВМ производится итерационным методом: сначала находится нулевое приближение Т,ээФ , в точке V=V0, а затем Т1еээф , при e(V - V0) кТ°ф ,ээФ ,ээФ Аналогично находится Т1эф и т.д. В зависимости от этого, получены следующие результаты:
Таблица 3.: Температуры электронов
-50 -45 -40 -35-30 -25-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
-45 -40 -35 -30 -25 -20 - 5- 0-5 0 5 0 520253035404550 Рис.17.: Экспериментальные зондовые кривые для плазмы N2, Ar и воздуха, для которых приведены соответственно ie (V) и ln ie = f (V) . Тангенсы последних определяют kTe.
3. Определение концентрации электронов /ионов/. Концентрация электронов определяется из величины электронного тока при каком-либо фиксированном значении V, например при V=V0 .В этом случае получаем простую связь концентрации ne0 и ie: а, = Sdu (см-33) = 1.105 ( ,) (19) e(kTe /2жт)/2S S(см НTe(K) S(см2)jkTe(eV) Как видно из (1 9), для определения ne0 необходимо предварительно определить электронную температуру Te и измерить площадь зонда S. Определение концентрации электронов /ионов/ можно проводить также по ионной части / V < Vm / зондовой ВАХ, если она выходит на плато. При обработке на ЭВМ применяются результаты численных расчетов, проведенных Лафрамбуазом для тока ионов на зонд конкретной цилиндрической геометрии[1]. Нахождение ni производится методом Сонина [1 ]. Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РАССИИ При этом получены следующие результаты: Здесь S = nab = m *0,01*0,5 = 15,7.10-3см2, n приведены в таблице 4. определяется с помощью таблицы 2,3. Результаты
Таблица 4: концентрации электронов 4. Зависимость концентрации плазмы от расстояния до оси пучка. Частота ленгмюровских колебаний плазмы вычислялась по концентрации плазмы[9], измеренной зондом Ленгмюра 1 0 (вольфрамовая проволока 0 0,1 мм, длиной 3 мм) в центре камеры реактора в области пучка. Зависимость концентрации плазмы от расстояния до оси пучка при давлении рабочего газа (воздух) 1.10-4 Тсфр имела вид, иллюстрируемый кривой 1 на рис.18. Увеличение давления газа до 5.10-4 Торр изменяло зависимость концентрации от расстояния. Соответствующая этому случаю зависимость иллюстрируется кривой 2 на рис. 1 8. Изменения характера распределения концентрации плазмы в камере реактора при переходе от кривой 1 к кривой 2 сопровождалось и соответствующим изменением визуальной картины разряда. Если в первом случае светящаяся часть плазмы занимала значительное пространство камеры реактора, поперечные размеры которого существенно превышали поперечные размеры пучка, то во втором случае четко была видна светящаяся часть плазмы, граница которой примерно совпадала с границей пучка. Рис.18. Зависимости концентрации плазмы от расстояния от пучка для давлений рабочего газа (воздуха) 1-1. 10-4; 2-5. 10-4 мм.рт.ст. Для определения концентрации плазмы вдоль пучка вправо и влево от зонда (1 0, рис. 1 .) через каждые 7 см размещались аналогичные зонды (на рис. 1 местоположения этих зондов отмечены жирными точками). Зонды затем калибровались посредством размещения их рядом с зондом 1 0 и измерения плазмы примерно одной и той же концентрации. Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РАССИИ 214 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/019.pdf IV. Программирование методов обработки результатов измерений. Программа для обработки результатов измерений была разработана в среде EXCEL. Она содержит все расчетные формулы, приведенные выше (1-19). Программа обрабатывает и анализирует результаты эксперимента (I,V) - (производится расчет ВАХ, dIe/dV, Ln(Ie), V0, КТ ne, и все величены, связанные с определением ФРЭ.) р- t- Ьн ч) L-H-: li- I-. j Лл! Рис.19. Процедура обработки результатов измерения ВАХ и результаты компьютерной обработки Литература: 1. Алсайед Али М.А., Лейман В.Г., Овчинников А.П. Измерение параметров электронно-пучковой плазмы в магнитном поле зондовыми методами. XLIII научная конференция, 24 ноября-9 декабря 2000 года. Москва-Долгопрудный. Московский физико-технический институт. Современный проблемы фундаментальных и прикладных наук, Часть III Аэрофизика и космические исследования,. Стр 5. 2. Овчинников А.П. Потери энергии электронного пучка в плазменно-пучковом разряде. -Физика плазмы Том16, вып. 1, С.32-33 (1990). 3. Tarakanov V.P. Users Manuel for Code KARAT® . - Moscow, 1999. 4. Chen F., Etievant G., Mosher D. Phys. Fluids. 1968. Vol.11. P.811-821. 5. Cohen J.M. Phys. Fluids. 1965. Vol.8. P.2067-2363. 6. Бакшт Ф.Г., Дюжев Г.А., Циркель Б.Н. Журн. техн. физ. 1977. Т.47. С. 1630-1640. 7. Рожанский В.А., Цендин Л.Д. Журн. техн. физ. 1978. Т.48. С.1647-1653. 8. Девятов А.М., Мальков М.А. Изв.вузов. Сер.физика. 1984.№з.С.29-34, 34-39. 9. Овчинников А.П., Тверюков А.А., Фрейнберг Г.Н. Элементарный процессы в химически реагирующих средах. М.: изд-во МФТИ, 1 983.С.34. 10. Иванов А.А. Лейман В.Г. Электронные пучки в плазмохимии. - М.: Атомиздат, 1978. 1 2 |
© 2024 РубинГудс.
Копирование запрещено. |