2.6. Определение времени потери импульса по измерению напряженности электрического поля в разряде пониженного давления в режиме Шоттки

После того, как по наклону экспериментального графика E_y/E_x определено время потери импульса τ, а по уравнению энергии (4) найдено значение электронной температуры T_e, их следует сравнить со значениями, полученными по методике, применяемой для расчета параметров газового разряда, горящего в т.н. режиме Шоттки.

Данный режим горения разряда характеризуется тем, что при пониженных давлениях механизм гибели электронов в плазме радикально меняется. В плотной плазме основным механизмом их гибели является т.н. трехчастичная объемная рекомбинация, т.е. реакция вида e^- + e^- + i⁺ ↔ e^- + A. В разряженной же среде объемная рекомбинация мала по сравнению с уходом заряженных частиц на стенку под действием амбиполярной диффузии. В этом режиме суммарное электрическое поле E в разряде и температура электронов T_e определяется только произведением Pd, где P – давление в разрядной трубке; d – диаметр трубки, для данной установки d=30 мм. Методика расчета зависимостей E (Pd) и T_e (Pd) детально изложена в [5] и здесь не приводится.

Зависимость E от параметра Pd для разряда в аргоне приведена на рис. 2.4. В таб. 2.2 та же зависимость дана численно. По известному значению d и определенному в ходе эксперимента значению P по рис. 2.4 или с помощью Таб. 2. 2 следует найти теоретическое значение напряженности электрического поля E для разряда, горящего в режиме Шоттки.

Рис. 2.4. Теоретическая зависимость напряженности электрического поля в трубке от параметра Pd

Таблица 2.2

Pd мм рт. ст. см	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.8
E, В/м	48	77	103	128	152	175	220

Зависимость T_e от параметра Pd для разряда в аргоне, в виде зависимости безразмерной величины F=k_B T_e/I^* от значения комплекса X=3.79 10⁵ (Pd)², приведена на рис. 2.5. В Таб. 2.3 та же зависимость дана численно. Здесь I^* – энергия однократной ионизации атома, для аргона I^*≈16 эВ. По известному значению Pd по рис. 2.5 или с помощью Таб. 2.3 следует найти теоретическое значение температуры электронов T_e для разряда, горящего в режиме Шоттки.

Таблица 2.3

F	0.08	0.1	0.12	0.14	0.16	0.18
X	7.6 10^4	7 10^3	1.4 10^3	470	200	110

Рис. 2.5. Теоретическая зависимость величины F=k_B T_e/I^* от комплекса X=3.79 10⁵ (Pd)²

После того, как по величине Pd определены теоретические значения E и T_e, подставив эти величины в уравнение (2.4), следует определить τ – время потери импульса электронами при столкновениях с тяжелыми частицами.

2.7. Обсуждение погрешности эксперимента

Так как в ходе лабораторной работы не имеется возможности получить достаточно большой массив экспериментальных данных, позволяющий провести оценку погрешности путем соответствующей процедуры осреднения, то оценку погрешности эксперимента следует провести простейшим способом.

Ошибка в измерении параметра Холла может быть оценена как:

.

Ошибка же в измерении напряженности электрического поля определяется погрешностью измерения напряжения между зондами δU и погрешностью измерения расстояния δl ~ 1 мм между ними,

.

Погрешность в измерении времени потери импульса можно определить как

.

Погрешность измерения индукции магнитного поля δB складывается из погрешности приборов; погрешности тарировочной зависимости, устанавливающей связь между током в обмотке магнита и индукцией магнитного поля в зазоре между его полюсами, где и установлена разрядная трубка; погрешности, связанной с пространственной неоднородностью распределения поля в зазоре. Суммарная погрешность δB/B оценивается в 30 %.

При расчете погрешности времени потери импульса τ, определяемого через уравнение энергии (4), при определении температуры электронов по расчетной методике для разряда, горящего в режиме Шоттки, следует учесть, что многие механизмы потери энергии в нем не принимаются во внимание. В первую очередь, не учтены потери за счет теплопроводности на стенки и неупругие потери. Поэтому результаты сопоставления значений времени потери импульса, полученного из измерения параметра Холла и рассчитанного из уравнения баланса энергии, могут весьма сильно различаться. Значение τ, полученное из измерений параметра Холла, следует считать более точным.