ЗОНД ЛЕНГМЮРА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ГАЗО-МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ

Заявляемое техническое решение относится к области зондовой диагностики параметров плазмы, и может быть использовано в установках для исследования параметров (концентрации заряженных частиц, электронной температуры, потенциала) плазмы, содержащей в газовой фазе значительную долю ионов или нейтральных атомов металлов или других веществ, способных образовывать проводящие покрытия при конденсации.
Известен зонд Ленгмюра [Патент США US 7,015,703 B2] для измерения параметров ВЧ плазмы, включающий в себя помещаемый в плазму цилиндрический наконечник, размещенный внутри диэлектрической тонкостенной цилиндрической оболочки и зафиксированный внутри нее вакуумно-плотной диэлектрической втулкой. На ближайшем к наконечнику конце оболочки укреплены обкладки конденсатора, являющегося элементом электрической цепи, предназначенной для фильтрации сигнала. Внутри этой же трубки, со стороны открытого атмосферному давлению конца, смонтированы элементы электрической схемы, необходимые для надежного измерения параметров плазмы, генерируемой высокочастотным генератором.
Недостатком такой конструкции зонда является его непригодность к диагностике плазмы, содержащей пары металлов или других веществ, способных образовывать проводящие пленки при конденсации, поскольку, осаждение проводящей пленки на втулку и внутреннюю поверхность диэлектрической оболочки неизбежно приведет либо к короткому замыканию между наконечником и обкладками конденсатора, либо к многократному увеличению площади поверхности наконечника, и, вследствие этого, к ошибочным измерениям параметров плазмы.
Известен зонд Ленгмюра [Патент США US 6,553,853 B2], в котором тонкий длинный цилиндрический наконечник, предназначенный для непосредственного контакта с плазмой, вставлен в малое отверстие в выпуклом торце диэлектрической оболочки, внутри которой установлена защищенная от контакта с плазмой вакуумно-плотная диэлектрическая втулка, а также проводники и элементы электрической цепи, необходимые для получения зондового сигнала с наконечника. Кольцевой опорный электрод, необходимый для фильтрации шумов плазмы, расположен снаружи диэлектрической оболочки на некотором расстоянии от наконечника, и покрыт диэлектрическим покрытием для его изоляции от плазмы. Таким образом, данная конструкция зонда позволяет некоторое время диагностировать плазму, содержащую пары металлов или других проводящих веществ, поскольку вероятность короткого замыкания между наконечником и кольцевым опорным электродом из-за осаждения проводящей пленки из плазмы снижена, за счет как наличия на кольцевом электроде диэлектрического покрытия, так и развитой поверхности торца диэлектрической оболочки ввиду его закругления.
Недостатком устройства является плотное примыкание наконечника к окружающему его торцу диэлектрической оболочки, что, в случае диагностики содержащей металлические пары плазмы, неизбежно приводит к осаждению на торец проводящей пленки, неконтролируемо увеличивающей приемную площадь поверхности наконечника, и значит, приводящее к неверным измерениям параметров плазмы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является зонд Ленгмюра, описанный в работе [D.B.Zolotukhin, V.A. Burdovitsin, E. Oks, A.V. Tyunkov, Yu. G. Yushkov, “On the influence of electron-beam metal evaporation on parameters of beam plasma in medium vacuum” // Physics of Plasmas. - 2019. - Vol. 26, No. 5. - P. 053512, https://doi.org/10.1063/1.5095165]. Упомянутый зонд содержит наконечник и стержень-держатель наконечника, помещенные в цилиндрическую защитную оболочку, причем стержень-держатель пропущен через диэлектрическую втулку, размещенную внутри защитной оболочки. Размещение диэлектрической втулки, изолирующей наконечник и стержень-держатель наконечника от защитной оболочки, в глубине цилиндрического канала защитной оболочки ограничивает возможность контакта поверхности диэлектрической втулки с плазмой, а значит, минимизирует напыление из плазмы на втулку проводящего покрытия, тем самым позволяя использовать этот зонд для диагностики плазмы, содержащей в газовой фазе значительную долю ионов или нейтральных атомов металлов или других веществ, способных образовывать проводящие покрытия при конденсации.
Недостатком устройства является малое время наработки на отказ при диагностике газо-металлической плазмы вследствие возникновения короткого замыкания между стержнем-держателем наконечника и оболочкой из-за напыления из плазмы на диэлектрической втулке проводящей пленки.
Цель заявляемого технического решения состоит в увеличении времени наработки зонда на отказ при диагностике газо-металлической плазмы.
Поставленная цель достигается тем, что в известном зонде Ленгмюра, содержащем наконечник, стержень-держатель наконечника, помещенные в цилиндрическую защитную оболочку, причем стержень-держатель пропущен через диэлектрическую втулку, размещенную внутри защитной оболочки, на стержень-держатель наконечника плотно надета диэлектрическая шайба внешним диаметром d, определяемым соотношением 0,8D≤d≤0,9D, расположенная на расстоянии l от плоскости диэлектрической втулки, определяемом соотношением 0,05L≤l≤0,1L, где D - внутренний диаметр защитной оболочки, L - расстояние от наконечника до диэлектрической втулки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение времени наработки зонда на отказ, при диагностике этим зондом газо-металлической плазмы. Технический результат достигается вследствие экранирования от потока паров и ионов металла диэлектрической шайбой большей части поверхности диэлектрической втулки между стержнем-держателем наконечника и оболочкой, при прочих неизменных параметрах зонда.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на фиг.1, и заключается в следующем.
Фиг.1: 1 - наконечник, 2 - стержень-держатель наконечника, 3 - цилиндрическая защитная оболочка, 4 - диэлектрическая втулка, 5 - диэлектрическая шайба.
Как и прототип, зонд включает в себя наконечник 1, стержень-держатель 2 наконечника, помещенные в цилиндрическую защитную оболочку 3, причем стержень-держатель 2 пропущен через диэлектрическую втулку 4, размещенную внутри защитной оболочки 3. Наконечник зонда 1 непосредственно контактирует с плазмой, а стержень-держатель 2 служит для передачи на наконечник 1 напряжения для снятия зондовых характеристик, а также для жесткой фиксации наконечника 1 относительно остальных элементов конструкции зонда. Диэлектрическая втулка 4 необходима для электрической изоляции стержня-держателя 2 и наконечника 1 от оболочки 3. Оболочка 3 предназначена для ограничения площади контакта с плазмой принимающей поверхности наконечника 1, а также для предотвращения контакта с плазмой прочих конструктивных элементов зонда. Отличие от прототипа состоит в наличии диэлектрической шайбы 5, плотно надетой на стержень-держатель 2. Диэлектрическая шайба 5 служит для экранирования от потока паров и ионов металла большей части поверхности диэлектрической втулки 4 между стержнем-держателем 2 и оболочкой 1. Диэлектрическая шайба 5 имеет внешний диаметр d, определяемый соотношением 0,8D≤d≤0,9D, и расположена на расстоянии l от плоскости диэлектрической втулки 4, причем расстояние l определяется соотношением 0,05L≤l≤0,1L, где D - внутренний диаметр защитной оболочки 3, L - расстояние от наконечника 1 до диэлектрической втулки 4.
Устройство работает следующим образом.
Зонд помещается в область генерации газо-металлической плазмы, при этом при подаче напряжения на стержень-держатель 2, и, соответственно, наконечник 1, заряженные частицы плазмы поступают на приемную поверхность наконечника 1. Некоторая доля частиц плазмы проникает в зазор между наконечником 1 и оболочкой 3, а пары и ионы металлов из числа проникших внутрь частиц осаждаются на стержень-держатель 2, внутреннюю поверхность оболочки 3, а также на диэлектрическую шайбу 5 и на узкую кольцеобразную поверхность диэлектрической втулки 4, не защищенную диэлектрической шайбой 5. Именно за счет экранирования диэлектрической шайбой 5 части поверхности диэлектрической втулки 4, препятствующего осаждению проводящей пленки между оболочкой 3 и стержнем-держателем 2, достигается положительный эффект - увеличение времени наработки зонда на отказ.
Диаметр d диэлектрической шайбы 5 выбран из следующих соображений. При d<0,8D, защита поверхности втулки шайбой становится неэффективной ввиду малого поперечного сечения шайбы, приводящего к напылению проводящей пленки на втулке рассеивающимися на газе парами металлов. При d>0,9D возрастает вероятность закорачивания просвета между шайбой и оболочкой в результате осаждения на них проводящей пленки, что опять же ведет к неконтролируемому увеличению площади приемной поверхности наконечника, а значит, к отказу зонда.
Расстояние l, на котором шайба расположена от плоскости диэлектрической втулки, выбрано из следующих соображений. При l<0,05L возрастает риск образования электропроводящего участка между граничащими поверхностями шайбы и втулки, из-за конденсации на них паров металлов из плазмы. При l>0,1L снижается эффективность экранирования ввиду более свободного проникания рассеивающихся на газе паров металла в пространство между втулкой и шайбой.
Результаты, представленные в Таблице, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно,  увеличение времени работы зонда на отказ при диагностике зондом газо-металлической пучковой плазмы, генерируемой при электронно-лучевом испарении медной мишени в гелии при давлении последнего 10 Па, при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.
Таблица. Увеличение времени наработки зонда на отказ при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом, при прочих одинаковых параметрах эксперимента.
Давление гелия, Па
Испаряемая мишень
Время наработки на отказ (т.е. до появления короткого замыкания между наконечником и оболочкой), мин
Прототип
10
Медь
28
Заявляемое решение
10
Медь
63