СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ И ЗОНД ЛЕНГМЮРА С ЗАЩИТНЫМ КОЛЬЦОМ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR DIAGNOSING PLASMA METHOD AND LANGMUIR PROBE WITH A PROTECTIVE RING FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к экспериментальной технике диагностики плазмы и может быть использовано для плоского одиночного зонда Ленгмюра.
Из существующего уровня техники известен способ зондовой диагностики плазмы с помощью одиночного зонда Ленгмюра (патент РФ №2642493, кл. Н05Н 1/100, 03.11.2016). Суть способа заключается в том, что в плазму помещают зонд, в виде отрезка металлической нити, подключенной через источник зондового напряжения к металлическому корпусу газоразрядного устройства или дополнительному опорному электроду с принятием мер по защите зондовой цепи от электрических наводок и по очистке собирающей поверхности зонда и регистрируют его вольт-амперные характеристики.
Недостатком данного способа устройств является то, что из-за образования двойного электрического слоя на поверхности зонда площадь, «собирающая» электроны, изменяется, что приводит к погрешности в определении вольтамперных характеристик, а, следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.
Из существующего уровня техники известен способ зондовой диагностики плазмы с помощью электрического зонда Ленгмюра (патент РФ №2503158, кл. Н05Н 1/100, 27.12.2012) основанный на активном зондировании исследуемой плазмы током малой интенсивности. Суть способа заключается в том, что в плазму помещают зонд, прикладывают к нему дискретные ступенчатые импульсы напряжения. Далее, регистрируя вольтамперные характеристики, измеряют потенциал пространства плазмы.
Недостатком данного способа является то, что из-за образования двойного электрического слоя на поверхности зонда площадь, «собирающая» электроны, изменяется, что приводит к погрешности в определении вольтамперных характеристик, а, следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления (Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969, 292 с.), Суть способа заключается в том, что в плазму помещают металлический проводник (далее - зонд) различной формы - плоской, цилиндрической или сферической. С помощью внешнего источника напряжения задают потенциал зонда одного из инициирующих разряд электродов (чаще всего находящегося под нулевым потенциалом). Регистрируют зависимость тока на зонд от подаваемого на него потенциала, т.е. снимают зондовую вольтамперную характеристику (ВАХ), по которой судят о концентрации электронов плазмы.
Недостатком данного способа является то, что из-за образования двойного электрического слоя на поверхности зонда площадь, «собирающая» электроны, изменяется, что приводит к погрешности в определении вольтамперных характеристик, а, следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение точности определения параметров плазмы (электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы), за счет уменьшения погрешности измерений.
Техническим результатом является уменьшение погрешности измерений электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы на 14-21%.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе зондовой диагностики плазмы, включающем установку зонда в плазму и регистрацию вольтамперной характеристики, по которой определяют параметры плазмы, согласно изобретению, устанавливают на зонд защитное кольцо из проводящего материала, затем вводят в плазму зонд с защитным кольцом, посредством которого обеспечивают возникновение на зонде и на защитном кольце электрических слоев, перекрывающих друг друга, и тем самым уменьшают площадь обоих электрических слоев.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что в устройстве для зондовой диагностики плазмы, содержащем источник питания, зонд и блок измерения, подключенные к зонду, согласно изобретению, зонд содержит защитное кольцо из проводящего материала. При введении зонда с защитным кольцом в плазму, на защитном кольце и на зонде возникают электрические слои, перекрывающие друг друга, и тем самым уменьшающие площадь обоих электрических слоев.
Из-за того, что на поверхности зонда возникает двойной электрический слой, площадь «собирающая» электроны, постоянно изменяется, из-за чего возникают погрешности в измерениях. При добавлении защитного кольца из проводящего материала двойной электрический слой будет возникать так же и на нем. В результате, между защитным кольцом и зондом возникнет область, в которой два электрических слоя будут пересекать друг друга. В результате перекрывания площадь обоих электрических слоев уменьшится, за счет чего уменьшится погрешность снятых вольтамперных характеристик, а, следовательно, и измерений.
Кроме того, возможно изменение диаметра защитного кольца, за счет чего будет возможно использование зонда Ленгмюра с защитным кольцом при различных давлениях.
Существо изобретения поясняется чертежами, На фиг. 1 изображена конструкция устройства, на фиг. 2 изображена схема реализации способа.
Устройство содержит одиночный зонд Ленгмюра 1 (фиг. 1), двойной электронный слой 2, изоляционный слой 3 и защитное кольцо 4. Схема реализации способа (фиг. 2) содержит одиночный зонд Ленгмюра 1 с защитным кольцом 4, вакуумную камеру 5, электрод-анод 6, источник питания 7, блок измерения 8.
Устройство работает следующим образом. Одиночный плоский зонд Ленгмюра 1 с защитным кольцом 4 помещают в вакуумную камеру 5. Из-за того, что на поверхности одиночного плоского зонда Ленгмюра возникает двойной электрический слой 2, площадь «собирающая» электроны, постоянно изменяется, из-за чего возникают погрешности в измерениях. При добавлении защитного кольца 4 двойной электрический слой 2 будет возникать так же и на нем. В результате, между защитным кольцом 4 и одиночным плоским зондом Ленгмюра 1 возникнет область, в которой два электрических слоя будут пересекать друг друга. В результате перекрывания площадь обоих электрических слоев уменьшится, за счет чего уменьшится погрешность снятых вольтамперных характеристик, а, следовательно, и измерений. Изменяя диаметр защитного кольца 4, можно использовать одиночный плоский зонд Ленгмюра 1 с защитным кольцом 4 при различных давлениях.
Пример конкретной реализации способа.
Способ осуществляется следующим способом. В вакуумную камеру помещают одиночный плоский зонд Ленгмюра с защитным кольцом 4. Проводят откачку вакуумной камеры 6 до достижения предельного вакуума (200 Па), включают подачу рабочего газа 35% N2+15% H+50% Ar в вакуумную камеру и электропитания в индуктор. В вакуумной камере создается плазма. Задают напряжение 400-500 В при помощи источника питания 8. Определяют вольтамперные характеристики для установившихся значений тока заряженных частиц на одиночный плоский зонд Ленгмюра с защитным кольцом 4. Далее, согласно известным методам обработки зондовых вольтамперных характеристик определяют электронную концентрацию и температуру плазмы.
Толщина электрического слоя постоянна для идентичных условий и находится из формулы (1):
где ε - диэлектрическая проницаемость среды;
n - концентрация заряженных частиц;
кТ - тепловая энергия иона;
q - заряд электрона
Погрешность при измерении вызвана разницей между площадью плоского зонда Ленгмюра и площадью электрического слоя. Эту погрешность можно найти из формулы (2):
где d - диаметр плоского зонда Ленгмюра.
Рассчитав примерную толщину двойного электрического слоя для наших параметров и взяв значения диаметра плоского зонда Ленгмюра равным 10-15 мм получим, что погрешность площади, «собирающей» электроны равна:
Таким образом, из расчетов видно, что погрешность площади, «собирающей» электроны равна 14-21%.
Заявленный способ имеет следующее преимущество: повышение точности определения параметров плазмы (концентрации и температуры).