Исследование медленных ионов потока разреженной плазмы при помощи многоэлектродного зонда

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м IV 197 3

№ 3

УДК 533.95

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕДЛЕННЫХ ИОНОВ ПОТОКА РАЗРЕЖЕННОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ ПОМОЩИ МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО ЗОНДА

Л. В. Носаче в, В. В. Скворцов

Приведены результаты исследований средней энергии и концентрации медленных ионов, возникавших из-за перезарядки в потоке резреженной плазмы при проведении лабораторных экспериментов по ионосферной аэродинамике. Для измерений применялся многоэлектродный зонд, в котором осуществлялось пространственное разделение потоков быстрых и медленных ионов. Установлено, что средняя энергия медленных ионов может быть сравнима с температурой электронов в потоке, а концентрация этих ионов в условиях, типичных для экспериментов по ионосферной аэродинамике, более чем на порядок меньше концентрации первичных ионов.

В потоках разреженной плазмы, используемых в экспериментах по ионосферной аэродинамике, наряду с первичными ионами, энергия которых составляет примерно 100 эВ, присутствуют также ионы, имеющие значительно более низкую энергию и образовавшиеся, в основном, в результате перезарядки высокоэнергетич-ных ионов на нейтральных атомах рабочего газа. Эти ионы могут влиять на структуру возмущенной области около тела, если их концентрация оказывается соизмеримой с концентрацией ускоренных ионов потока.

В работах [1] и [2] сделана попытка оценить концентрацию медленных ионов в рассматриваемых потоках из баланса производства и потерь этих частиц. Однако их оценки дают лишь приближенное представление о данной величине, так как скорость потерь медленных ионов в реальных потоках не поддается достаточно точному расчету. С целью определения концентрации медленных ионов авторы [3] измеряли ток на пластину, экранированную от непосредственного воздействия быстрых ионов, с последующей обработкой результатов по формуле, аналогичной формуле Бома [4], а также оценивали концентрацию электронов (и, следовательно, в предположении квазинейтральности, концентрацию ионов) из характеристик ленгмюровского зонда в той области

ближнего следа, в которую не поп-адают быстрые ионы. Однако в первом случае перед пластиной из-за наличия экрана возникает область тени для первичных ионов. Это приводит к значительному возмущению прилегающей к пластине области плазмы, так как именно быстрые ионы дают основной вклад в концентрацию положительно заряженных частиц в рассматриваемых потоках. В результате ток медленных ионов на пластину может неконтролируемым образом отличаться от тока, определяемого по обычной формуле Бома. При использовании второго метода необходимо учитывать, что концентрация ионов в ближнем следе не совпадает с концентрацией ионов в невозмущенной плазме, так как в области следа она зависит и от его геометрии и от существующего там электрического поля, в котором ионы приобретают дополнительную скорость.

В данной работе медленные ионы, являющиеся в экспериментах по ионосферной аэродинамике фоном для остального потока, исследовались с помощью многоэлектродного зонда, конструкция которого позволяла выделять медленный компонент и изучать его характеристики, не внося в них существенных искажений. В частности, с помощью многоэлектродного зонда были определены энергия этих ионов и их концентрация в потоке при различных режимах работы источника быстрых ионов и разных давлениях остаточного газа в вакуумной камере.

Условия эксперимента и измерительная аппаратура. Эксперименты проводились в ионосферной аэродинамической трубе, принципиальная схема которой показана на фиг. 1 и более подробно описана в работах [5] и [6]. Поток плазмы аргона создавался с помощью газоразрядного ионного источника 1 с объемной иониза-

- - / э -

з Г (В 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Фиг.

цией, снабженного нитью нейтрализации 2. Диаметр потока на срезе источника составлял около 80 мм, полуугол раствора потока равнялся примерно 15°. Энергия первичных ионов была равна примерно 150 эВ. Концентрация этих ионов варьировалась в диапазоне 109—10* см-3.

Вакуумная система состояла из металлической вакуумной камеры 3 диаметром 500 мм и длиной 2000 мм, форвакуумного и паромасляного насосов, а также ловушки паров масла 4, заполненной жидким азотом. Применение жидкого азота предотвращало появление масляных пленок на электродах и позволяло тем самым улучшить условия работы зондов и их характеристики. Параметры

3 — Ученые записки НАГИ № 3

33

потока разреженной плазмы измерялись с помощью термозондов 6 и плоских зондов Ленгмюра. Все зонды с помощью координатни-ков 7 могли быть установлены в любой точке потока.

В статье [6] сообщалось о результатах исследований работы многоэлектродного зонда в условиях потока синтезированной разреженной плазмы и отмечались особенности его характеристик при диагностике таких потоков. Однако многоэлектродный зонд обычной конструкции не позволяет измерять параметры медленных ионов, так как в этом случае на коллектор зонда приходят кроме медленных также и быстрые ионы, которые дают вклад в общий ток примерно на два порядка больший, чем медленные; в результате ионы низкой энергии практически невозможно выделить из общего тока. Как уже отмечалось выше, разделение потоков ионов вне зонда нежелательно и его необходимо проводить внутри зонда. С этой целью в данной работе был применен метод пространственного разделения, в основе которого лежит тот факт, что быстрые ионы в многоэлектродном зонде, ориентированном своей диафрагмой параллельно оси потока, могут попадать лишь на одну половину коллектора 5 (см. фиг. 1), если соответствующим образом выбрана геометрия входной диафрагмы, глубина зонда и его расположение по отношению к ионному источнику, тогда как медленные ионы, в предположении приблизительно максвелловского распределения их скоростей, должны поступать примерно равномерно на обе половины. Таким образом,если коллектор разрезать и регистрировать ток на ту половину, на которую поступают только медленные ионы, то можно получить сведения о параметрах этого компонента. Разумеется, зонд в потоке должен быть расположен так, чтобы к отверстию в его входной диафрагме могли подходить быстрые ионы из всех ячеек ионнооптической системы источника (в противном случае около диафрагмы возникнет область тени), т. е. зонд должен находиться на расстоянии от оси струи не меньшем, чем радиус сеток источника.

Конструкция многоэлектродного зонда, который использовался в экспериментах, схематически показана на фиг. 2. Зонд состоял

*

Фиг. 2

Фиг. 3

из металлического корпуса 1, фторопластовой втулки 2, входной диафрагмы 3, ограничивающей поток заряженных частиц внутрь зонда, трех плоских ортогональных сеток 4 с ячейками 0,1X0,1 мм, двух коллекторов 5 и 6 и изолирующих фторопластовых шайб 7. Коллекторы были выполнены из нержавеющей стали в форме полудисков, разделенных между собой зазором шириной 0,2 мм. Плоские ортогональные сетки изготовлялись на обоймах из вольфрамовых нитей диаметром 0,01 мм. Диафрагма представляла собой тонкий диск из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм со щелевым вырезом 31X3,8 мм. Щелевой вырез в диафрагме и зазор между коллекторами были расположены параллельно друг другу. Диафрагма соприкасалась с сеткой С, (фиг. 3) и была связана с ней электрически, а расстояние между остальными электродами зонда составляло 3 мм. Число сеток зонда выбиралось минимальным, необходимым для отсечки электронов и анализа ионов по энергиям. Шаг ячеек в этих сетках был на порядок меньше дебаев-ского радиуса экранирования в плазме.

При исследовании медленных ионов потока использовалась, в основном, схема распределения потенциалов между электродами зонда, изображенная на фиг. 3. Она позволила осуществить, как показали предварительные эксперименты, наиболее эффективную регистрацию этих ионов. На данной схеме за нуль принят потенциал стенки вакуумной камеры, ипл — потенциал плазмы. Электронный компонент отсекался электрическим полем, созданным между сетками С2 и С3, а анализирующий потенциал прикладывался к сетке С2. Для подавления вторичной электронной эмиссии с коллектора последний имел положительный потенциал относительно ближайшего электрода.

Электрическое поле входной диафрагмы и сетки С! может существенно влиять на проникновение заряженных частиц внутрь зонда, если потенциал данных электродов отличен от потенциала плазмы, который, в свою очередь, известен лишь приблизительно. В этих условиях для того чтобы полностью снять энергетическое распределение медленных ионов, на диафрагму и сетку С! подавался потенциал, близкий к потенциалу плазмы, но заведомо отрицательный по отношению к ней. Корпус зонда находился всегда под плавающим потенциалом. Питание зонда осуществлялось от батарей. Поскольку существовало предположение, что в потоках плазмы, создаваемых с помощью ионных источников, могут присутствовать из-за перезарядки медленные ионы, имеющие концентрацию, сравнимую с концентрацией быстрых ионов (—108 см-3), и температуру, близкую к комнатной, то зонд и регистрирующая аппаратура были рассчитаны на то, чтобы с уверенностью регистрировать медленные ионы с такими параметрами.

Многоэлектродный зонд устанавливался на расстоянии 40 мм от оси потока плазмы таким образом, что его диафрагма была ориентирована параллельно оси потока, а длинная сторона щелевого выреза в диафрагме была расположена перпендикулярно к этой оси. Такая ориентация зонда исключала образование тени для быстрых ионов около диафрагмы и их попадание на коллектор, расположенный ближе к газоразрядному ионному источнику.

Рассмотрим вопрос о влиянии геометрии входных электродов зонда на форму его вольт-амперной характеристики. В работе [7] было показано, что входная сетка зонда практически не влияет на форму характеристики, если размеры ее отверстий к и толщина

прутка (I удовлетворяют условию /г/й.> 2. В проведенных исследованиях данное отношение было равно 10, и, следовательно, такой фактор, как конечная толщина сетки, не оказывал существенного влияния на результаты измерений.

Другим фактором, который может влиять на форму вольт-амперной характеристики многоэлектродного зонда, является соотношение между размером входной диафрагмы и коллектора или любого другого притягивающего частицы электрода, после прохождения которого они с вероятностью, близкой к единице, попадают на коллектор (например, таким электродом в схеме, приведенной на фиг. 2, является сетка С3). Величина этого соотношения определяет поток частиц, который уходит на боковые стенки зонда. Поскольку данный поток обусловлен частицами, имеющими небольшой компонент скорости вдоль оси зонда и значительную составляющую скорости поперек этой оси, то отсутствие частиц с такими компонентами скорости в потоке на коллектор может привести к искажению вольт-амперной характеристики в области значений анализирующего потенциала, близких к потенциалу плазмы.

Если диафрагма тонкая и размер ее входного отверстия мал, то второй фактор может быть учтен введением в формулу для тока на коллектор величины телесного угла, под которым коллектор виден из отверстия диафрагмы. Однако в общем случае интегральные преобразования для нахождения потока частиц должны быть выполнены с учетом конечных размеров коллектора и входного отверстия в диафрагме. Для случая, когда диафрагма тонкая и радиус /?0 коллектора велик по сравнению со сторонами щели в диафрагме, эти преобразования для потока максвелловских частиц на коллектор, энергия которых, связанная с движением вдоль оси зонда, больше величины е<р, приводят к следующему выражению:

Здесь от—масса частиц, п — их концентрация, Т—температура, /г — постоянная Больцмана, — площадь отверстия в диафрагме, /?0 — радиус коллектора, г0 — расстояние между диафрагмой и коллектором.

Как уже отмечалось, рассмотренные выше факторы наиболее сильно искажают вольт-амперную характеристику зонда при анализирующих потенциалах, близких к потенциалу плазмы, т. е. при

-|у^0. В условиях эксперимента это искажение, как показывают

оценки, выполненные по формуле (1), не превышало 10%, что лежит в пределах точности измерений параметров плазмы зондо-вой методикой.

Расчет концентрации медленных ионов по характеристикам многоэлектродного зонда проводился с учетом прозрачности сеток зонда а, которая определялась по методике, описанной в работе [8], и была равна 0,5 для применявшейся геометрии зонда и распределения потенциалов между его электродами, а также для типичной энергии медленных ионов.

Результаты экспериментов. Для получения достоверной информации о параметрах медленных ионов были прежде всего изучены характеристики многоэлектродного зонда. Исследовались кривые задержки ионного тока на коллектор, регистрирующий только медленные ионы, и на коллектор, собирающий кроме медленных также и быстрые ионы; сопоставлялись результаты обработки различными способами вольт-амперных характеристик; изучалось влияние потенциалов входной диафрагмы и сеток зонда на форму этих характеристик.

На фиг. 4, а приведена в обычном масштабе характеристика, показывающая зависимость ионного тока на коллектор многоэлектродного зонда, собирающего только медленные ионы, от,анализирующего потенциала иа для случая, когда потенциал плазмы около зонда был равен примерно 5 В, потенциал диафрагмы и сетки С, составлял 4 В, а потенциал сетки С3 был равен —30 В.

На фиг. 4, б эта же характеристика построена в полулогарифмическом масштабе. Измерения были выполнены на расстоянии 52 см от среза ионного источника, давление в вакуумной камере составляло около 8-10_3 Па.

В результате обработки вольт-амперной характеристики, изображенной на фиг. 4, а, при потенциалах иа, более высоких, чем потенциал плазмы и„л, могут быть определены, как известно, значения средней энергии частиц в потоке Е и их концентрации п. В общем случае эти величины следующим образом выражаются через параметры, регистрируемые многоэлектродным зондом:

£-т.М-

у0

/г = — 1/— [ *1-**- — ±1ГШ I

1 V 2 е3 ] йу у у 1 | ез J V ¥

где /0 — ток на коллектор при анализирующем потенциале, равном потенциалу плазмы; <р — разность потенциалов между анализирующим электродом и плазмой, е — заряд электрона, т, — масса частицы, у — плотность тока частиц на коллектор, /о = <1]\(1ч — значение этой производной при <р = 0. В частности, при максвелловском распределении Е=ы. В проведенных исследованиях обработка вольт-

амперных характеристик зонда р соответствии с формулами (2) и (3) производилась графически.

С другой стороны, для определения концентрации медленных ионов и их температур можно попытаться использовать обычный метод обработки вольт-амперных характеристик, так как характеристика, построенная в полулогарифмическом масштабе (см. фиг. 4, б), в области значений иа, более высоких, чем потенциал плазмы, представляет собой прямую линию, и, следовательно, распределение попадающих в зонд медленных ионов можно приближенно описать функцией Максвелла, соответствующей некоторой температуре Т. Естественно, что такое описание не является строгим, поскольку в действительности медленные ионы, возникающие в рассматриваемых потоках, не находятся в равновесном состоянии, однако оно позволяет определить основные параметры этих ионов, используя обычную методику зондовых измерений. Параметры медленных ионов в потоке разреженной плазмы, определенные по характеристикам зонда обоими методами, приведены в таблице. В этой таблице г — расстояние от среза ионного источника до зонда, р—давление в вакуумной камере, Л—результаты обработки характеристик по формулам (2) и (3), В — аналогичные результаты, полученные в предположении максвелловского распределения медленных ионов, С — параметры потока плазмы, измеренные плоским зондом, Е — средняя энергия медленных ионов, Т — их „температура11, п — концентрация этих ионов, Те — температура электронов, я0 — концентрация быстрых ионов. Из данных таблицы следует, что оба метода обработки экспериментальных материалов приводят к удовлетворительно согласующимся между собой результатам.

Эксперименты, в которых исследовалось влияние потенциала входной диафрагмы и сетки С, на регистрацию медленнных ионов, показали, что этот потенциал создавал барьер для движения ионов, если он оказывался выше потенциала плазмы. Наблюдаемый эффект объясняется тем, что в условиях опыта расстояние между прутками сетки С, было на порядок меньше дебаевского радиуса, поэтому электрическое поле около этой сетки эффективно воздействовало на медленные ионы. Для того чтобы в этих условиях получить полное энергетическое распределение медленных ионов, на диафрагму и сетку С, в основных экспериментах подавался потенциал и о, примерно на 2—ЗВ более низкий, чем потенциал плазмы. Как было установлено в специальных опытах, при таких значениях ток насыщения медленных ионов на коллектор зонда практически не зависел от величины 1Уо, что является необходимым условием для определения концентрации этих ионов по вольг-амперной характе-

г, см /МОз, Па А В С П/П„

Е, К п 10-7, см~3 Т, К п -10“», см-8 т ‘ е л-10 *, см-3

5,2 16 700 1,2 18 100 1,4 15 300 1,7 —0,08

22 6,8 13 500 1.5 12 100 1,9 16 800 1,74 —0,1

8,5 14 200 1,6 12 100 2,4 10 600 2,16 —0.

10,4 10 300 2.8 9 330 3.7 16 200 3 ~0,13

52 8.5 9 100 1,5 8 700 2.2 13 100 I —0,22

ристике. Эти же опыты показаличто потенциал входной диафрагмы и сетки Ci практически не влияет на форму той части вольт-амперной характеристики, которая лежит выше потенциала плазмы и из которой определяется энергетическое распределение ионов. Аналогично величина потенциала сетки С3 при его изменении в диапазоне 10—50В не влияла на форму регистрируемого энергетического распределения медленных ионов и величину создаваемого ими тока насыщения на коллектор зонда.

Из вольт-амнерных характеристик ионного тока на второй коллектор многоэлектродного зонда было найдено, что этот коллектор, действительно, воспринимает быстрые ионы, если зонд находится вблизи источника. При удалении же его от среза источника на достаточно большое расстояние, при котором быстрые ионы попадали на зонд под малыми углами и не достигали коллектора, в цепи второго коллектора регистрировались приблизительно такие же значения тока, как и в цепи первого, на который попадали только медленные ионы. Симметричность расположения коллектора по отношению к щели в диафрагме контролировалась в этих экспериментах путем поворота зонда на 180°.

В настоящей работе концентрация медленных ионов в потоке разреженной плазмы и их температура измерялись при различной величине давления газа в вакуумной камере и на разных расстояниях от источника. Перед этими измерениями регистрировались с помощью плоского зонда и термозонда основные характеристики потока и, в частности, потенциал плазмы. По измеренной величине ипл выбирался потенциал входной диаграммы и сетки С, многоэлектродного зонда. Сетка С3 обычно имела потенциал —30 В.

Из результатов проведенных опытов, представленных в таблице, следует, что средняя энергия медленных ионов в потоке почти на два порядка превышает аналогичную величину для нейтрального газа (~0,03эВ) в вакуумной камере и близка к средней энергии электронов. Данное обстоятельство, вероятно, свидетельствует о том, что медленные ионы, возникающие при перезарядке, получают дополнительную энергию в электрическом поле, которое присутствует в потоке разреженной плазмы. Было установлено также, что концентрация медленных ионов убывает вдоль оси потока, однако ее отношение к концентрации быстрых ионов при этом несколько возрастает, по-видимому, из-за более быстрого уменьшения величины п0 в струе, обусловленного расширением струи и перезарядкой. Из таблицы следует, что концентрация медленных ионов в потоке разреженной плазмы при давлении газа в вакуумной камере ниже 6,5-10~3Па (т. е. при обычных условиях эксперимента по ионосферной аэродинамике) составляет менее 10% от концентрации быстрых ионов потока, и, следовательно, фон медленных ионов оказывает в большинстве случаев слабое влияние на формирование структуры возмущенной области около модели.

ЛИТЕРАТУРА

1. С I а у d е n W. А., Н u г d I е С. V. An experimental study of а plasma—vehicle interaction. Rarefied Gas Dynamics, N. Y. — L., Acad.

Press, 1967.

2. Sajben М., В 1 и m e n t a 1 D. L. Experimental study of a rarefied plasma stream and its interaction with simple bodies. AIAA Paper,

69 -79, 1969.

3. Hester S. D., Sonin A. A. , A laboratory study of wakes of ionospheric sattellites. AIAA J. vol. 6, No 6. (См. также „Ракетная техника и космонавтика", 1970, № 6).

4. The characteristics of electrical discharges in magnetic fields. Ed. by Guthrie and Wakerling R. W., N. Y., 1949.

5. Скворцов В. В., H о с а ч e в Л. В. Исследование структуры следа за сферическими моделями в потоке разреженной плазмы .Космические исследования”, т. 6, № 2, 1968.

6. Скворцов В. В., Носа чев Л. В., Нецветайлов Е. М. Исследование характеристик многоэлектродного зонда в условиях потока разреженной плазмы. .Космические исследования", т. 7, № 3,

1969.

7. Москалев И. Н. О влиянии входной сетки на форму характеристик многосеточного зонда .Журн. технич. физики", т. 40, № 3,

1970.

8. К о з л о в О. В. Электрический зонд в плазме. М., Атомиз-дат, 1969.

Рукопись поступила ЗІ і VIII 1972