Способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку и устройство для его осуществления
ION CURRENT DENSITY ONTO THE CONTACTING WITH PLASMA WALL DETERMINING METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к экспериментальной технике изучения газоразрядных источников ионов, включая ионные электроракетные двигатели.
Известен способ определения плотности ионного тока на эмиссионный электрод ионно-оптической системы (ИОС) ВЧ ионного двигателя (ВЧИД) путем локальных зондовых измерений пространственного распределения параметров плазмы около ИОС с последующим анализом полученных результатов, причем измерения проводятся двойным цилиндрическим зондом Ленгмюра, определяется температура электронов и их концентрация, а плотность ионного тока к границе плазмы, которая рассматривается как эмиссионный электрод ИОС, находится с помощью теории Ленгмюра-Тонкса [1]. Недостатками данного способа являются низкая точность диагностики плазмы двойными зондами, особенно в условиях ВЧ плазмы, искажающей зондовые характеристики, отсутствие учета образования переходного, или лимитационного слоя около твердотельной стенки, где происходит снижение концентрации заряженных частиц за счет их амбиполярной диффузии к стенке с последующей рекомбинацией, и расчетно-теоретический путь определения искомого параметра. По этой причине погрешности результатов применения способа [1] велики.
2
Известен способ определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку в виде технологического пьедестала для кремниевых пластин путем регистрации пространственного распределения в плазме электрических параметров радиально подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра [2]. В качестве электрического параметра этого зонда регистрируется собираемый им ионный ток при подаче на него фиксированного отрицательного потенциала -70 В, а размер собирающей поверхности зонда (площадь 0,32 мм, диаметр 0,64 мм), по предположению авторов, обеспечивает постоянство ионного тока при изменении потенциала зонда.
Недостатком данного способа является невысокая точность результатов измерений из-за того, что при изменении потенциала зонда собираемый им ионный ток не может оставаться постоянным из-за неизбежного изменения размеров боковой границы слоя объемного заряда, которая тоже собирает заряженные частицы из плазмы. В результате ионная ветвь зондовой характеристики оказывается наклонной, и при потенциале зонда V=-70 В измеренный ток ионов будет завышен в несколько раз. Кроме того, примененный в [2] плоский зонд диаметра 0,64 мм представляет собой торец проволоки в пленочной изоляции, расположенной вдали от зоны плазменной обработки подложек. В этом случае показания зонда не учитывают снижения плотности ионного тока в переходном слое плазмы перед подложками. Этот фактор усиливает упомянутую выше ошибку измерений.
Технической задачей данного предложения является повышение точности определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку под плавающим потенциалом, роль которой в случае ионных двигателей выполняет эмиссионный электрод ИОС ВЧИД, а также снижение стоимости исследования по сравнению с использованием классических пристеночных плоских зондов.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известном способе определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку путем регистрации в прилегающей плазме пространственного распределения электрических параметров подвижного одиночного плоского зонда Ленгмюра с последующей их обработкой, причем эти измерения проводят имитатором пристеночного зонда Ленгмюра, а в качестве его электрических параметров регистрируют полные зондовые вольт-амперные характеристики.
e
s
f
s
f
e
Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае бесстолкновительной плазмы с функцией распределения электронов по энергиям, близкой к максвелловской, стандартной обработкой зондовых характеристик определяют электронную температуру T, потенциал пространства V, плавающий потенциал V и плотность тока электронного насыщения с последующим умножением последней на больцмановскую экспоненту exp[-(V-V)/T], где потенциалы и температура электронов выражены в одинаковых единицах.
Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае немаксвелловской плазмы обработку зондовых характеристик проводят линейной экстраполяцией к плавающему потенциалу плазмы ионных ветвей полулогарифмических зондовых характеристик с логарифмическим представлением величин зондового тока.
Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае немаксвелловской плазмы обработку зондовых характеристик проводят линейной экстраполяцией ионных ветвей линейных зондовых характеристик к плавающему потенциалу плазмы.
Заявленный технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для определения плотности ионного тока на контактирующую с плазмой стенку, содержащем введенный в газоразрядное плазменное пространство подвижный одиночный плоский зонд Ленгмюра с собирающей поверхностью в виде проволочного торца, его зондовая проволока введена в один из каналов многоканального керамического стержня с фиксацией измерительного торца проволоки заподлицо с торцом керамического стержня, внешний диаметр которого выбран так, чтобы площадь керамической поверхности, окружающей измерительный торец проволоки, превышала площадь собирающей поверхности зонда в десять и более раз, в другом канале стержня размещен дополнительный проводник, подключенный к внешнему опорному зонду с развитой собирающей поверхностью, охватывающему керамический стержень около его измерительного торца, а на противоположном конце керамического стержня оба проводника выведены из его каналов и подключены к регистрирующей аппаратуре.
Заявленный технический результат достигается также тем, что в случае работы с высокочастотной плазмой внешняя поверхность керамического стержня в промежутке между опорным зондом и стенкой газоразрядной камеры окружена заземленным металлическим экраном, не имеющим электрического контакта с опорным зондом.
На фиг. 1 приведены схема и чертеж имитатора пристеночного плоского зонда, установленного в двухканальном керамическом стержне 1 с внешним опорным зондом 2 и наружным заземленным экраном 3. Собирающая поверхность 4 плоского зонда в таком исполнении окружена керамикой стержневого торца, имитирующего стенку, на которой происходит рекомбинация заряженных частиц плазмы и образование стационарного переходного слоя в плазме. Эту функцию стенки усиливает расположенный рядом опорный зонд 2. Таким образом, плоский зонд данной конструкции является имитатором пристеночного зонда со всеми вытекающими последствиями, главным из которых является образование характерного для стенки стационарного переходного слоя перед слоем объемного заряда на поверхности плоского зонда и керамического торца. Концентрация заряженных частиц внутри переходного слоя на границе пристеночного слоя объемного заряда и, следовательно, плотность тока ионов к стенке уменьшаются при этом из-за снижения ионизационного равновесия в плазме переходного слоя.
Работает данное устройство следующим образом. Оба вывода имитатора пристеночного зонда 5 подсоединяют к зондовой станции, которая обеспечивает автоматическую регистрацию зондовых характеристик и определение традиционных параметров плазмы: функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), температуры и концентрации электронов, плавающего и плазменного потенциалов, а также плотности электронного тока насыщения на зонд. Далее на основании заявленного способа определяют плотность ионного тока на контактирующую с плазмой стенку под плавающим потенциалом, которая в случае ионного двигателя представляет собой эмиссионный электрод ИОС. Знание плотности ионного тока на данный электрод определяет оптимальную геометрию и параметры ускоряющих ячеек ИОС, а также величину суммарного тока ионного пучка, создающего тягу двигателя.
-3
п
г
Примером реализации предлагаемого изобретения послужил эксперимент по локальной зондовой диагностике ксеноновой плазмы в модели ВЧИД при расходе ксенона q=2 смл/мин, создававшем в газоразрядном пространстве динамическое давление р=2⋅10 мм рт.ст. (на этих режимах плазма является бесстолкновительной и изотропной). Приведенный ниже пример характеризуется поглощенной плазмой мощностью Р=175 Вт при падающей мощности ВЧ генератора Р=200 Вт на частоте 2 МГц и при точном согласовании генератора с нагрузкой. В невозмущенной плазме средней зоны газоразрядного пространства между индуктором и местом крепления ИОС были размещены радиально подвижные имитатор плоского пристеночного зонда диаметром 1,5 мм в торце керамического стержня диаметра 5 мм (фиг. 1) и классический цилиндрический зонд Ленгмюра в виде вольфрамовой нити диаметром 0,15 мм и длиной 10 мм при диаметре первого зондодержателя 1,6 мм. Измерительные зонды имели рядом расположенные внешние опорные зонды с развитыми поверхностями. Отметим, что специальными опытами была установлена однородность параметров изучаемой плазмы от середины газоразрядного пространства до места установки ИОС. Поэтому результаты экспериментов в средней части газоразрядного пространства имеют прямое отношение к плазме, контактирующей с ИОС. У имитатора плоского пристеночного зонда площадь керамической поверхности, окружающей плоский зонд, превосходила площадь его собирающей поверхности примерно в 12 раз. Следовательно, такое окружение способствовало образованию на торце керамического стержня 1 стационарного переходного слоя, моделировавшего влияние контактирующей с плазмой стенки. Отметим, что в данном эксперименте использовался двухканальный керамический стержень 1, торец которого имел нежелательную азимутальную неравномерность керамического окружения плоского зонда 4. Сглаживанию этой неравномерности помогала развитая поверхность опорного зонда 2, которая вместе с торцом керамического стержня 1 способствовала образованию перед плоским зондом 2 практически равномерного стационарного переходного слоя, имитировавшего плазменную среду перед эмиссионным электродом ИОС ВЧИД.
Вольт-амперные характеристики зондов регистрировались и обрабатывались зондовой станцией Plasma Sensors VGPS-12 (США) [3], которая использует эффективную, многоступенчатую технологию устранения искажений зондовых характеристик от различных внешних воздействий, включая ВЧ электромагнитное поле.
С помощью классического цилиндрического зонда было измерено радиальное распределение перечисленных выше свойств невозмущенной плазмы. Корректность этих измерений была подтверждена специальными экспериментами с использованием зондов различных длин. Анализ полученных результатов показал, что при указанных выше параметрах разряда невозмущенная стенкой ксеноновая плазма оказалась близка к максвелловской среде с «инженерной» точностью.
Радиальные распределения плотности ионного тока на имитатор плоского пристеночного зонда под плавающим потенциалом были найдены согласно пп. 1, 3 и 4 заявленного способа, т.е. путем линейных экстраполяций к плавающим потенциалам ионных ветвей линейных и полулогарифмических зондовых характеристик. Пункт 2 данного способа для имитатора плоского пристеночного зонда не мог быть использован, потому что возмущение плазмы стенкой заметно отдалило ее ФРЭЭ от максвелловской функции. Что касается цилиндрического зонда, то п. 2 оказался для него вполне существенным в силу близости ФРЭЭ окружающей плазмы к максвелловскому распределению.
f
г
if
2
Пример обработки полулогарифмической зондовой характеристики плоского зонда с ионной ветвью 1, начальным участком электронной ветви 2 и линией 3, обозначающей плавающий потенциал V=2,35 В, представлен на фиг. 2. Данная характеристика была зарегистрирована в средней части газоразрядного пространства, в радиальной позиции r=30 мм и при падающей мощности ВЧ генератора Р=200 Вт. Видно, что линейная экстраполяция ее ионной ветви прямой линией 4 к плавающему потенциалу 3 показала плотность ионного тока на плоский зонд j≈9,7 мА/см.
г
Такая обработка применялась ко всем экспериментальным данным. Пример результатов для Р=200 Вт представлен на фиг. 3. Здесь радиальное распределение плотности ионного тока на плоский зонд представлено кривой 1. Для сравнения здесь приведены аналогичные данные 2 по классическому цилиндрическому зонду в невозмущенной плазме. Видно, что плотность ионного тока на имитатор пристеночного плоского зонда оказалась в среднем около 2,5 раз ниже показаний классического зонда, полученных с помощью п. 2 заявленного способа. Очевидно, что такое различие обусловлено влиянием стационарного переходного слоя в контакте с плоским зондом, снизившего ионизационное равновесие плазмы и превратившего ее в немаксвелловскую среду.
Таким образом, реализация данного предложения позволила достаточно уверенно определить количество ионов ксенона, которые поступят в ускорительные ячейки ИОС ВЧИД, не прибегая к разработке и изготовлению модели эмиссионного электрода со встроенным в нее набором плоских пристеночных зондов Ленгмюра. Конструкция такой модели весьма сложна, поэтому реализация заявленного предложения резко снизила стоимость и затраты времени на проведение такого исследования.
Источники информации
1. B. Lenz, R.J. Walter, H. Loeb, Plasma diagnostic contributions to advanced RIT-engines, AIAA paper No. 76-1012, 1976, 10 pp.
2. T. Meziani, P. Colpo, F. Rossi, Design of a magnetic-pole enhanced inductively coupled plasma source, Plasma Sources Sci. Technol., 2001, v. 10, p. 276-283.
3. См. сайт www.plasmasensors.com, где представлена VGPS Probe System.