Спосіб вимірювання електронної температури плазми і пристрій для здійснення способу

1. Спосіб вимірювання електронної температури плазми, який включає подання на занурений в плазму електричний зонд змінної напруги високої частоти, яка набагато менша від плазмової частоти електронів і яку попередньо модулюють по амплітуді, і детектування вимірювального сигналу, що формується зондовим струмом на ємності, який відрізняється тим, що вимірюють зондовий струм для двох різних значень амплітуди змінної напруги високої частоти, відношення яких задають в межах не менш ніж два і не більш ніж три, і за результатами вимірювання спочатку визначають іонний струм насичення із співвідношення 2 3 Група винаходів належить до вимірювальної техніки і призначена для використання в експериментальній і технічній фізиці, а також в промисловості для створення плазмових приладів. Є відомим спосіб вимірювання електронної температури плазми, згідно з яким у плазму занурюють невеликий за розмірами електрод-зонд, подають на нього напругу і вимірюють струм, який тече на цей електрод при різних значеннях напруги. За результатами вимірювань будують вольтамперну характеристику плазми, по якій шляхом розрахунково-графічної обробки визначають електронну температуру плазми [«Диагностика плазмы», под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М., Мир, 1967, с.160-161]. Є відомим пристрій для здійснення даного способу, який містить занурений у плазму зонд, джерело постійної напруги зміщення, підключене до зонда через електричний опір, і вимірювальний блок, що включає вольтметр для вимірювання падіння напруги на опорі і вольтметр для вимірювання напруги зміщення. Величину опору вибирають малою, оскільки вона визначає точність вимірювань [«Диагностика плазмы», под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда, М., Мир, 1967, с.160-161]. Вимірювання електронної температури плазми за допомогою описаних вище способу і пристрою потребує багато часу і тому є неприйнятним, наприклад, для вимірювання параметрів нестаціонарної плазми, тривалість сталості яких може бути надто короткою. Є відомим також спосіб вимірювання електронної температури плазми, згідно з яким на занурений у плазму зонд подають змінну напругу високої частоти, яка набагато менша за плазмову частоту електронів. Змінну напругу високої частоти подають на паралельний резонансний коливальний контур, включений між зондом і корпусом. При постійному статичному потенціалі зонда вимірюють два значення активної провідності проміжку „зонд-корпус" для двох різних амплітуд змінної напруги високої частоти, величину яких задають не вище від рівня статичного потенціалу зонда. При цьому амплітуду змінної напруги високої частоти задають величиною індуктивного зв'язку паралельного резонансного коливального контуру з генератором змінної напруги високої частоти, а активну провідність визначають шляхом вимірювання провідності втрат згаданого коливального контуру. Після цього за формулою розраховують електронну температуру плазми [авторське свідоцтво СРСР №766047, опубл. 23.09.90., кл. Н05Н1/00]. Відомий спосіб вимірювання електронної температури плазми реалізується за допомогою пристрою, який містить занурений в плазму зонд, закріплений на стінці корпусу, генератор змінної напруги високої частоти, з'єднаний з первинною обмоткою індуктивності, коливальний контур, який включає вторинну обмотку індуктивності і конденсатор змінної ємності, і реєстратор [авторське свідоцтво СРСР №766047, опубл. 23.09.80, кл. Н05Н1/00]. Відомі спосіб і пристрій придатні для застосу 76789 4 вання переважно в галузі астрофізичних, космічних досліджень, тобто в умовах, які характеризуються низькою густиною плазми, великими об'ємами, що займає плазма, і стаціонарною поведінкою плазми під час вимірювання. Це зумовлене тим, що корпус, на якому кріпиться електричний зонд, занурюється в плазму і набуває певного потенціалу по відношенню до потенціалу плазми ("плаваючого" потенціалу), а електричний зонд має той самий потенціал, що і корпус. У лабораторних або в промислових умовах плазма знаходиться усередині, наприклад, вакуумної камери, і приймає певний потенціал по відношенню до стінки корпусу, що оточує плазму, а електричний зонд, занурений в плазму, приймає потенціал, відмінний від потенціалу стінки корпусу. У цьому випадку величина "плаваючого" потенціалу залежить не лише від параметрів плазми, а й від геометричного положення зонда і методів створення плазми. В описаних вище аналогах параметри плазми визначають по залежності зондового струму від напруги між зондом і стінкою корпусу. Однак в умовах достатньо високої густини плазми (більш ніж 1010см-3) в електричному колі зонда тече високий струм іонів та електронів, що може спричинити перегрівання і навіть руйнування зонда. Крім того, під час вимірювань необхідно враховувати вплив таких приелектродних явищ як вторинна емісія, створення вторинної плазми самим зондом, електричний пробій між зондом і плазмою тощо. За прототип способу, який заявляється, обрано спосіб вимірювання електронної температури плазми, який полягає в тому, що на занурений у плазму електричний зонд через резонансний чутливий елемент подають змінну напругу високої частоти, яка є набагато меншою від плазмової частоти електронів і яку попередньо модулюють по амплітуді, наприклад, синусоїдальною напругою. Одночасно на зонд подають імпульсну напругу зміщення позитивної полярності низької частоти, амплітуда якої в три-чотири рази перевищує потенціал плазми в призондовій області. При цьому напругу зміщення подають також і на ємність зарядно-розрядного кола. Вимірювальні сигнали одержують з виходу резонансного чутливого елемента і з ємності зарядно-розрядного кола, детектують їх для одержання вимірювальної інформації у вигляді активної і реактивної складових вихідного імпедансу зонда. Після розшифрування вимірювального сигналу, що формується зондовим струмом на ємності зарядно-розрядного кола, розраховують електронну температуру плазми [патент Російської Федерації №2051476, опубл. 27.12.95, кл. Н05Н1/00, G01N27/00]. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є пристрій для вимірювання електронної температури плазми, який містить занурений в плазму двоелектродний електричний зонд, генератор змінної напруги високої частоти, генератор моделюючої синусоїдальної напруги низької частоти і генератор імпульсної напруги зміщення, резонансний чутливий елемент у комплекті з зарядно-розрядним колом, індуктивність, вторинну обмотку якої виконано секціонованою, комутатор і вимірювальну схему, яка містить витоковий повто 5 76789 6 рювач, синхронний піковий детектор, амплітудний мується зондовим током на ємності, згідно з винадетектор, підсилювач високочастотних сигналів і ходом, вимірюють зондовий струм для двох різних синхронно-піковий детектор. Генератор змінної значень амплітуди змінної напруги високої частонапруги високої частоти з'єднаний з первинною ти, відношення яких задають в межах не менш ніж обмоткою індуктивності через генератор моделюдва і не більш ніж три. По результатам вимірювань ючої синусоїдальної напруги низької частоти. Геспочатку визначають іонний струм насичення із нератор імпульсного зміщення з'єднаний з спільспіввідношення ною точкою секцій вторинної обмотки індуктивності Ii Ie1 In 0 і ємністю зарядно-розрядного кола, яке включає Ii0 Ie1 U01 послідовно з'єднані ємність і резистор. ЗарядноU02 розрядне коло з'єднане з спільною точкою секцій Ii Ie2 In 0 вторинної обмотки індуктивності і через розділову Ii0 Ie2 ємність - з витоковим повторювачем вимірювальде: U01 і U02 - більша і менша амплітуди змінної ної схеми. Вхід комутатора з'єднаний з виходом напруги відповідно; пікового детектора, а його перший і другий виходи - з виводами вторинної обмотки індуктивності [паIi0 - іонний струм насичення; тент Російської Федерації №2051476, опубл. Ie1 і Іе2 - струм зонда при U01 і U02 відповідно. 27.12.95., кл. Н05Н1/00, G01N27/00]. Потім визначають електронну температуру У прототипі, на відміну від аналогів, забезпеплазми по формулі чено можливість вимірювання активної і реактив2U02 ної складових імпедансу зонда як в режимі роботи kTe радіозонда (з використанням резонансного чутлиIi0 Ie2 In вого елемента), так і в режимі електричного зонда Ii0 Ie2 (з використанням зарядно-розрядного кола). де: Те - електронна температура плазми; Проте галузь застосування прототипу, як і U02 - менша амплітуда змінної напруги; аналогів, є обмеженою вимірюваннями в розрідженій незбуреній плазмі, наприклад, в іоносфері Ii0 - іонний струм насичення; або космічному просторі, оскільки на зонд одночаІе2 - зондовий струм при U02; сно подають змінну напругу високої частоти та k - стала Больцмана. імпульсну напругу зміщення, амплітуда якої в триПоставлена технічна задача вирішується в чотири рази більша за потенціал плазми в призонпристрої для вимірювання електронної температудовій області. Таким чином, при достатньо високій 10 -3 ри плазми, який містить занурений в плазму елекгустині плазми (більш ніж 10 см ) по колу зонда тричний зонд, генератор змінної напруги високої тече великий струм іонів та електронів, що ствочастоти, індуктивність, з первинною обмоткою якої рює певні труднощі під час вимірювань, наприз'єднаний генератор змінної напруги високої часклад, перегрівання і руйнування зонда. Під час тоти, а з вторинною - електричний зонд, комутавимірювань, які проводять згідно з прототипом, тор, ємність і послідовно з'єднані підсилювач і амприелектродні іонні шари, що оточують зонд, маплітудний детектор. Згідно з винаходом, в пристрій ють параметри, які суттєво відрізняються від павведені подільник частоти і ключовий інтегратор, а раметрів незбуреної плазми, що негативно вплиіндуктивність виконана з секціонованою первинває на достовірність результатів вимірювань. ною обмоткою. При цьому перший вихід генератоКрім того, результати вимірювань в прототипі ра змінної напруги високої частоти з'єднаний з одержують у вигляді графічної інформації, яка спільною точкою секцій первинної обмотки індукпотребує розшифровування. Перед початком витивності, а його другий вихід - з першим входом мірювань слід проводити додаткові операції, такі комутатора і з входом подільника частоти. Вихід як градуювання пристрою в комплекті з зондом і подільника частоти з'єднаний з другим входом вимірювальною схемою для кожного діапазону комутатора, перший і другий виходи якого під'єдвимірювання, а також - по постійному струму з нані до виводів першої і другої секцій первинної метою визначення сумарної ємності, оскільки обмотки індуктивності відповідно, вторинна обмотостання включена в розрахункову формулу для ка якої одним виводом з'єднана з електричним визначення параметрів плазми, наприклад, електзондом через ємність, а другим виводом - з підсиронного струму насичення. лювачем. Вхід ключового інтегратора з'єднаний з В основу пропонованої групи винаходів поклавиходом амплітудного детектора. дено задачу удосконалення способу вимірювання Пропонована група винаходів забезпечує моелектронної температури плазми і пристрою для жливість вимірювання електронної температури як його здійснення, які забезпечують можливість вирозрідженої, так і густої плазми (тобто в усьому мірювання електронної температури плазми різної діапазоні застосування зондової методики) при густини при високій достовірності результатів вивисокій достовірності результатів, тобто має порімірювань. вняно з прототипом більш широку галузь викорисДля вирішення поставленої технічної задачі у тання. способі вимірювання електронної температури Технічний результат досягається тим, що проплазми, який включає подання на занурений в поновані спосіб і пристрій дозволяють вимірювати плазму зонд змінної напруги високої частоти, яка є електронну температуру плазми в режимі, коли набагато меншою від плазмової частоти електрозонд знаходиться під „плаваючим" потенціалом, нів і яку попередньо модулюють по амплітуді, і тобто при середньому значенні струму, що тече детектування вимірювального сигналу, який фор 7 76789 8 через зонд, яке дорівнює нулю. Разом із цим веплазми. личина напруги, яка прикладається до зонда, знаПристрій для здійснення способу вимірювання чно менша, ніж в прототипі, згідно з яким до зонда електронної температури плазми (див. Фіг.1) місприкладається напруга, амплітуда якої в два-три тить розрядну камеру 1, занурений в плазму елекрази перевищує потенціал плазми в призондовій тричний зонд 2, закріплений на стінці розрядної області. При такому режимі значно зменшується камери 1, генератор 3 змінної напруги високої часзагальний потік частинок на зонд, що дозволяє тоти, індуктивність 4, комутатор 5, подільник 6 часпослабити його теплове навантаження. тоти, ємність 7 і вимірювальну схему, яка містить Пропонована група винаходів, порівняно з послідовно з'єднані підсилювач 8, амплітудний прототипом, забезпечує скорочення тривалості детектор 9, ключовий інтегратор 10. Індуктивність вимірювань і обробки результатів, що справляє 4 виконано з секціонованою первинною обмоткою. позитивний вплив на достовірність результатів Перший вихід генератора 3 з'єднаний з середньою вимірювання. Так, визначення електронної темпеточкою секціонованої первинної обмотки індуктивратури плазми, згідно з пропонованою групою виності 4, другий вихід генератора 3 з'єднаний з пенаходів, здійснюють за результатами вимірювання ршим входом комутатора 5 і з входом подільника 6 двох значень зондового струму для двох значень частоти. Вихід подільника 6 частоти з'єднаний з змінної напруги високої частоти, які мають задане другим входом комутатора 5, перший і другий виспіввідношення амплітуд, тоді як згідно з прототиходи якого з'єднані з першим і другим виводами пом одержують низькочастотний і високочастотний секціонованої первинної обмотки індуктивності 4 вимірювальні сигнали у вигляді функціональних відповідно. Вторинна обмотка індуктивності 4 пезалежностей від часу і проводять їх розрахунковоршим виводом з'єднана з ємністю 7, а другим виграфічну обробку. водом - з підсилювачем 8, вхід якого є входом виДіапазон значень співвідношення амплітуд мірювальної схеми. Ємність 7 з'єднана з зондом 2. змінної напруги високої частоти (в межах не менш У пропонованому пристрої для вимірювання ніж два і не більш ніж три) одержано дослідним електронної температури плазми використані сташляхом, з огляду на вигляд вольт-амперної харакндартні блоки. Генератор 2 може бути виконаний, теристики зонда. Далі на прикладі буде проілюстнаприклад на мікросхемах 1006ВИ1 і 561ИЕ10; ровано, що в межах вищезгаданого діапазону запідсилювач 8 і амплітудний детектор 9 - на мікросбезпечується висока достовірність результатів хемі TL082; ключовий інтегратор 10 - на мікросхевимірювань. мах 561КТ3 і 561ИД1. В якості індуктивності 3 моУведення до пропонованого пристрою подільже бути використано, наприклад, трансформатор ника частоти, комутатора і виконання індуктивності напруги, обмотки якого намотані на феритовому з секціонованою первинною обмоткою дозволяє кільці. одержувати амплітудно-модульовану змінну наПропонований спосіб вимірювання електронпругу високої частоти, яка має два заданих знаної температури плазми здійснюють так. чення амплітуди, співвідношення яких використоЗа відсутності змінної напруги високої частоти вується для розрахунку іонного струму насичення ємність 7 заряджена до напруги „плаваючого" побезпосередньо. Таким чином, пропонована група тенціалу Uf=U+Up, де Uf - напруга між зондом 2 і винаходів не потребує проведення додаткових стінкою розрядної камери 1; U - напруга між зоноперацій з калібрування і вимірювання сумарної дом 2 і плазмою; Up - напруга між плазмою і стінємності пристрою для розшифровування резулькою зарядної камери 1. татів вимірювань. Змінна напруга високої частоти, багато меншої Забезпеченню високої достовірності результаза плазмову частоту електронів, наприклад, 20тів вимірювань сприяє також використання в при10кГц, генерується генератором 3 і подається на строї вимірювальної схеми, яка містить послідовно спільну точку секцій первинної обмотки індуктивз'єднані підсилювач, амплітудний детектор і клюності 4, на вхід подільника 6 частоти і на вхід комучовий інтегратор, що дозволяє ефективно приглутатора 5. Комутатор 5, керований подільником 6 шувати шумову складову зондового струму при частоти, підключає генератор 3 по черзі до секцій збереженні загальної високої чутливості. Після первинної обмотки індуктивності 4. У вторинній детектування амплітудним детектором вимірюваобмотці індуктивності 4 індукується змінна напруга ний сигнал додатково інтегрується ключовим інтевисокої частоти, модульована по амплітуді (див. гратором, який працює, наприклад, на частотах, Фіг.2), яка має дві різні амплітуди U01 і U02, співвідщо відповідають 2, 4 і 8 періодам змінного струму, ношення яких вибране в діапазоні не менш ніж два внаслідок чого підвищується чутливість схеми в 2, і не більш ніж три. Вищезазначена модульована по 4 і 8 разів і відповідно зменшується рівень шумів амплітуді напруга високої частоти подається на зондового струму. ємність 7, в результаті чого ємність 7, заряджена Суть винаходу пояснюється кресленням, діагдо потенціалу Uf, змінює свій заряд так, щоб серерамами і графіками, на яких подані: на Фіг.1 - струднє значення струму, який тече через ємність 7, ктурна схема пристрою, на Фіг.2 - діаграма змінної дорівнювало нулю. напруги високої частоти, яка індукується у вторинДля кожного значення амплітуди змінної наній обмотці індуктивності; на Фіг.3 - зондовий пруги U01 і U02 за допомогою вимірювальної схеми струм на виході ключового інтегратора; на Фіг.4 вимірюють зарядно-розрядний струм ємності 6, графік, що пояснює принцип перетворення змінної який є струмом Ι01 і І02 зонда. Оскільки вимірюванапруги високої частоти у вимірюваний сигнал ний зондовий струм є періодичним і його середнє зондовий ток; на Фіг.5 - графіки, що ілюструють значення дорівнює нулю, підсилювач 8, виконано, приклад вимірювання електронної температури наприклад, за схемою інтегруючого підсилювача, 9 76789 10 що дозволяє ефективно приглушувати шумову i I0 - іонний струм насичення; складову зондового струму при збереженні загаIe1 і Іe2 - струм зонда при U01 і U02 відповідно. льної високої чутливості. Після детектування ампПісля визначення іонного струму насичення за літудним детектором 9 вимірюваний сигнал додатформулою (7) розраховують електронну темпераково інтегрується ключовим інтегратором 10, який туру плазми за формулою (6). працює, наприклад, на частотах, що відповідають Вимірювання електронної температури плазми 2, 4 і 8 періодам змінної напруги, завдяки чому з використанням пропонованої групи винаходів підвищується чутливість схеми в 2, 4 і 8 разів і ілюструється прикладом. додатково зменшується рівень шумів зондового Вимірювання було проведено в газовому розструму. ряді магнетронного типу. Для створення плазми Виведення формули для розрахунку електбуло використано стандартне устаткування [див. ронної температури плазми ілюструється графіком С.С. Климов и др. Вакуум-плазменное нанесение на Фіг.4, на якому наведені такі позначення: Uf тонкопленочных покрытий на порошки. Вопросы напруга між зондом 2 і стінкою розрядної камери 1 атомной науки и техники (ВАНТ). Серия «Вакуум, при U0=0; Uf- U1 - напруга на зонді 2 в негативночистые материалы, сверхпроводники» . Вып. 4(5)му півперіоді U0; Uf+- U1 - напруга на зонді 2 в по5(6), с.96-98]. Параметри розряду: робочий газ зитивному півперіоді U0; Ie - зондовий струм. Аr, тиск 3-10-3 Торр, струм розряду Ір=2,5А, напруРівняння балансу струмів для кожного півперіга на розрядному проміжку Up=460 480В, триваоду (позитивного і негативного) змінної напруги U0 лість імпульсу струму - 6мс, частота повторювання для випадку, коли U0=0, має такий вигляд: імпульсів - 100Гц. Катод-мішень діаметром 190мм U U1 e виготовлено з міді. Зонд циліндричної форми довIi0 I0 exp Ie (1) kTe kTe жиною 5мм діаметром 0,5мм знаходився на осі розрядної камери на відстані 80мм від катоду. U U2 i e I0 I0 exp Ie (2) Перед вимірюванням електронної температуkTe kTe ри плазми із застосуванням пропонованого спосоU бу провели вимірювання вольт-амперної характеe Ii0 I0 exp 0 (3) ристики зонда за допомогою відомої методики kTe ["Диагностика плазмы", под ред. Р.Хаддлстоуна и (4) U1+ U2=2U0 С.Леонарда, М., Мир, 1967, с.160-161]. Результати (5) Ie Ie Ie вимірювання представлено точками 1-9 на Фіг.5. Після розрахунково-графічної обробки одержаних i де: I0 - іонний струм насичення; результатів дістали значення електронної темпеe ратури плазми Те, що дорівнює 0,81 eV. I0 - електронний струм насичення; Далі було проведено вимірювання зондового струму для двох значень змінної напруги високої Ie - зондовий струм в негативному півчастоти, співвідношення яких дорівнювало двом. періоді U0; Результати вимірювання зондового струму предIe - зондовий струм в позитивному півставлені точками 3 і 6 на Фіг.5. За результатами вимірювання зондового струму визначили іонний періоді U0; U - напруга між зондом і плазмою при U0=0; струм насичення Ii0 за формулою (7) і електронну Те - електронна температура плазми; температуру плазми Те за формулою (6): k - стала Больцмана. Розв'язуючи систему рівнянь (1-5), одержуємо Ii0 =98,9мА; кТе=0,79 eV. формулу для розрахунку електронної температури Потім було проведено вимірювання зондового плазми: струму для двох значень змінної напруги високої 2U02 частоти, співвідношення яких дорівнювало трьом. kTe Ii0 Ie2 Результати вимірювання представлені точками 3 і (6) In 9 на Фіг.5. За результатами вимірювання зондовоIi0 Ie2 го струму було розраховано іонний струм насиде: U02 - менша амплітуда змінної напруги; чення Id за формулою (7) і електронну температури плазми Те за формулою (6): Ii0 - іонний струм насичення; Іe2 - зондовий струм при U02. При цьому іонний струм насичення Іе2 і відношення амплітуд змінної напруги високої частоти U01 і U02 зв'язані між собою співвідношенням: U01 U02 Ii In 0 Ii0 Ie1 Ii0 Ie2 Ii0 Ie2 In Ie1 (7) де: U01 і U02 - більша і менша амплітуди змінної напруги відповідно; Ii0 =101,5мА; кТе=0,82 eV. Таким чином, достовірність вимірювання електронної температури плазми, проведеного згідно з пропонованою групою винаходів, не нижча від достовірності результатів вимірювання згідно з відомою методикою, при цьому вимірюваний параметр визначають лише при двох значеннях змінної напруги високої частоти, без побудови вольтамперної характеристики плазми і складної розрахунково-графічної обробки. Слід зазначити, що вимірювання було проведено в плазмі невеликої густини, тобто з відносно високим рівнем флуктуацій зондового струму. Із 11 76789 12 зростанням густини досліджуваної плазми відносгустини, що сприяє підвищенню достовірності рений рівень флуктуацій зондового струму зменшузультатів вимірювання. ється обернено пропорційно кореню квадратному Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601