Спосіб визначення температури електронів у плазмі

Спосіб визначення температури електронів у плазмі за допомогою електричного зонда, який полягає у тому, що зонд з'єднують з одним із полюсів джерела постійної напруги, що регулюється, задаючи потенціал зонда j відносно другого полюса, який з'єднують з опорним електродом, що контактує з плазмою, вводять зонд в область плазми, що досліджується, й, змінюючи потенціал зонда відносно опорного електрода, визначають плаваючий потенціал зонда j f , при якому струм струму через зонд, що мало змінюється при подальшому зниженні потенціалу зонда, підвищуючи потенціал зонда від плаваючого потенціалу до потенціалу плазми jp1 , при якому стр ум через через зонд I(j) знижується до нуля, знижуючи потенціал зонда менше плаваючого потенціалу, визначають іонний струм насичення Ii як величину ціал зонда, Ie (j ) - електронний струм на зонд у залежності від потенціалу зонда, який відрізняється тим, що вибирають значення потенціалу зонда менші, аніж плаваючий потенціал зонда. Корисна модель має бути віднесена до вимірювальної техніки до методів діагностики плазми. Є відомим й таким, що широко використовують для визначення температури електронів у плазмі, спосіб, оснований на використанні контактного методу діагностики плазми [Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлсто ун, С. Леонард, M., Мир, 1967, с. 94-164.], який обрано у якості аналогу корисної моделі. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб визначення температури електронів у плазмі з використанням електричного зонда [Методы исследования плазмы. Под ред. В. ЛохтеХольтгревена, M., Мир, 1971, с. 459-487.], обраний нами у якості прототипу і який полягає у тому, що зонд з'єднують з одним із полюсів джерела постійної напруги, що регулюється, задаваючи потенціал зонда φ відносно другого полюса, який з'єднують з опорним електродом, що контактує з плазмою, вводять зонд в область плазми, що досліджується, й змінюючи потенціал зонда відносно опорного електрода, визначають плаваючий потенціал зонда φf, при якому струм через зонд Ι(φ) знижується до нуля, знижуючи потенціал зонда менш плаваючого потенціала, визначають іонний струм насичення Ii як величину стр уму через зонд, що мало змінюється при подальшому зниженні потенціала зонда, підвищуючи потенціал зонда від плаваючого потенціала до потенціала плазми φpl, при якому струм через зонд досягає насичення, визначають залежність електронного струму на зонд Іе(φ) як суму іонного струму насичення й струму через зонд, тобто Ιe(φ)=Ι(φ)+Ii, від потенціала зонда, а після цього температуру електронів у плазмі розраховують як абсолютне значення величини зворотної до відношення приросту залежності логарифму величини електронного струму на зонд від потенціалу зонда до приросту потенціалу зонда при значеннях потенціалу зонда менших, аніж потенціал плазми, тобто за формулою зонд досягає насичення, визначають залежність електронного струму на зонд Ie (j ) як суму іонного струму насичення й струму через зонд, тобто Ie (j ) = I(j ) + Ii , від потенціалу зонда, а після цього розраховують температуру електронів у плазмі як абсолютне значення величини, зворотної до відношення приросту залежності логарифма величини електронного струму на зонд від потенціалу зонда до приросту потенціалу зонда при значеннях потенціалу зонда менших, аніж потенціал плазми, тобто за формулою Te = dj / d(ln(Ie (j ))) , де (19) UA (11) 37585 (13) U Te - температура електронів у плазмі, j - потен 3 Te = dj / d(ln(I e (j))) 37585 , де Т е - температура електронів у плазмі, φ - потенціал зонда, Ie(φ) - електронний струм на зонд у залежності від потенціалу зонда. Прототипу притаманна недостатня точність визначення температури електронів у плазмі, зумовлена відсутністю рекомендацій щодо вибору ділянки залежності логарифму величини електронного струму на зонд від потенціалу зонда, у межах якого визначення температури електронів у плазмі було б найбільш точним. При цьому, можливе виникнення похибок визначення температури електронів у плазмі внаслідок того, що не вра ховують наступні особливості процесів у плазмі поблизу зонда. У прототипі поверхню зонда, що є приймальною, вважають такою, що має нескінчені розміри, тобто на багато більше аніж протяжність шару просторового заряду поблизу зонда, у якому розподілено різниця потенціалів між зондом та плазмою. У дійсності розмір поверхні зонду, що є приймальною, може бути порядку протяжності цього шару, тобто мати обмежені розміри. Внаслідок обмежених розмірів приймальної поверхні зонда, для того щоб електрон потрапив на цю поверхню, є необхідним виконання двох умов. Поперше, електрон повинен мати складову швидкості у напрямку перпендикулярному приймальної поверхні зонда, яка буде достатньою для подолання різниці потенціалів, розподіленої у шарі. Окрім того, за час руху електрона від границі плазми скрізь шар до приймальної поверхні зонда, електрон, що рухається також і в напрямку паралельному цієї поверхні, не повинен вийти за межи приймальної поверхні зонда. При зменшенні потенціалу зонда відносно потенціалу плазми збільшується протяжність шару, у якому електрон рухається від границі плазми до приймальної поверхні зонда, та, як наслідок, збільшується імовірність того, що електрон вийде за межи приймальної поверхні зонда до того як досягне її, що призводить до зниження електронного струму на зонд. При потенціалах зонда близьких до величини температури електронів величина електронного струму буде визначатися як зміною протяжності шару, де розподілено різниця потенціалів, так і зміною самої величини потенціалу зонда. При збільшенні потенціалу зонда збільшується частка різниці потенціалів, що зосереджено у вузький області поблизу зонда. При потенціалах зонда близьких до плаваючого потенціалу й менших відносна зміна протяжності шару вже є незначною і ця зміна протяжності шару не буде значно впливати на величину електронного струму на зонд, а визначаючим для величини електронного струму на зонд буде зміна потенціалу зонда. Проведений аналіз дозволяє заключити, що значення температури електронів у плазмі, що визначені при різних потенціалах зонда будуть відрізнятися. Технічною задачею корисної моделі є підвищення точності визначення температури електронів у плазмі за допомогою електричного зонда на основі визначеного вибору значень потенціалу зонда для розрахунку температури електронів у плазмі. 4 Технічна задача корисної моделі вирішується тим, що у способі визначення температури електронів у плазмі за допомогою електричного зонда зонд з'єднують з одним із полюсів джерела постійної напруги, що регулюється, задаваючи потенціал зонда φ відносно другого полюса, який з'єднують з опорним електродом, що контактує з плазмою, вводять зонд в область плазми, що досліджується, й змінюючи потенціал зонда відносно опорного електрода, визначають плаваючий потенціал зонда φf, при якому струм через зонд Ι(φ) знижується до нуля, знижуючи потенціал зонда менш плаваючого потенціала, визначають іонний струм насичення Ii як величину стр уму через зонд, що мало змінюється при подальшому зниженні потенціала зонда внаслідок зниження струму електронів Ιe(φ) до величини, набагато меншої за Іi, підвищуючи потенціал зонда від плаваючого потенціала до потенціала плазми φpl, при якому струм через зонд досягає насичення, визначають залежність електронного струму на зонд Іе(φ) як суму іонного струму насичення й струму через зонд, тобто Ιe(φ)=Ι(φ)+Ιi, від потенціала зонда, а після цього температуру електронів у плазмі розраховують як абсолютне значення величини зворотної до відношенню приросту залежності логарифму величини електронного струму на зонд від потенціалу зонда до прирощення потенціалу зонда при значеннях потенціалу зонда менших, аніж потенціал T = dj / d(ln(I e (j))) плазми, тобто за формулою e , де Те - температура електронів в плазмі, φ - потенціал зонда, Іе(φ) - електронний струм на зонд у залежності від потенціалу зонда, згідно винаходу, обирають значення потенціалу зонда менші, аніж плаваючий потенціал зонда. На фігурі представлено залежність ln(Іе( j )) логарифма величини електронного струму на зонд Іе(φ) від величини потенціалу зонда φ, а також приріст потенціалу зонда άφ й приріст логарифму величини електронного струму на зонд d(ln(Ie( j ))). При зменшенні потенціалу зонда до величини φf плаваючого потенціалу зонда й менше розподіл різниці потенціалів у шарі поблизу зонда змінюється таким чином, що більша частина різниці потенціалів між потенціалами зонда й плазми зосереджується у вузький області поблизу поверхні зонда, а протяжність слою, у якому розподілено різницю потенціалів, припустимо вважати постійною при зміні потенціалу зонда. Значить, при цьому не буде змінюватися й частка електронів, які не потрапляють на зонд внаслідок обтікання зонда обмежених розмірів при їх р усі від границі плазми скрізь шар до поверхні зонда. Таким чином, при потенціалі зонда меншим, аніж плаваючий потенціал зонда зміна струму електронів на зонд буде визначатися лише дією електричного поля зонда, що запирає електрони, а вплив обмежених розмірів зонда на електронний струм на зонд, а, як наслідок, й на розрахунок температури електронів у плазмі буде знижено. Тому область потенціалів зонда менших, аніж плаваючий потенціал зонда рекомендується для визначення температури електронів. 5 37585 Запропонований спосіб може бути реалізовано з використанням електричного зонда наступним чином. Зонд з'єднують з одним із полюсів джерела постійної напруги, що регулюється, задаваючи потенціал зонда φ відносно другого полюса, який з'єднують з оперним електродом, що контактує з плазмою. Вводять зонд в область плазми, що досліджується, й змінюючи потенціал зонда відносно опорного електрода, визначають плаваючий потенціал зонда φf, при якому стр ум через зонд Ι(φ) знижується до нуля. Знижуючи потенціал зонда менш плаваючого потенціала й цим самим знижуючи струм електронів Ιe(φ), визначають іонний струм насичення Ii як величину струм у через зонд, що мало змінюється при подальшому зниженні потенціала зонд внаслідок зниження струму електронів Іе(φ) до величини, набагато меншої за Ii. Підвищуючи потенціал зонда від плаваючого потенціала до потенціала плазми φpl, при якому Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 6 струм через зонд досягає насичення, визначають експериментально залежність Ι(φ), а після цього розраховують залежність електронного струму на зонд Іе(φ) як суму іонного струму насичення й струму через зонд, тобто Ιe(φ)=Ιi+Ι(φ), від потенціала зонда. За цим визначають залежність ln(Іe( j )) від потенціалу φ зонда. Після цього обирають потенціал φ зонда менший, аніж плаваючий потенціал зонда φf й поблизу нього розраховують темпе T = dj / d(ln(I e (j))) ратур у електронів у плазмі як e . Вищевикладене дозволяє зробити висновок про те, що запропонований спосіб визначення температури електронів у плазмі у порівнянні із відомими має перевагу у точності визначення температури електронів у плазмі оскільки дозволяє знизити вплив обмежених розмірів зонда на результат. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601