25

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электронных и ионных приборов

РАБОТА N 5

Основы зондовых методов диагностики плазмы

Составители: Подгорный В.И.

Лебедева А.В.

Сысун В.И.

Петрозаводск. 2004г.

СОДЕРЖАНИЕ.

Часть I. Основные положения физики газового разряда, плазмы и метода зондовых характеристик…………………………………………………………………………2

1. Основы физики газового разряда…………………………………………………………2

2. Основы физики плазмы ………………………..…………………………………………7

3. Метод зондовых характеристик…………………………………………………………13

Часть 2. Экспериментальное исследование плазмы тлеющего разряда с помощью зондов…………………………………………………………………………………21

2.1. Описание установки……………………………………………………………………….21

2.2. Порядок выполнения работы……………………………………………………………..22

2.3. Указания по технике безопасности……………………………………………………….23

2.4. Содержание отчёта……………………………………………………………………..….23

2.5. Контрольные вопросы…………………………………………………………………..…23

Литература……………………………………………………………………………………....24

Часть 1. Основные положения физики газового разряда, плазмы и метода зондовых характеристик.

1.1. Основы физики газового разряда.

Всякий газ в своем нормальном состоянии – диэлектрик; исключения не составляют и пары металлов, где свободные электроны появляются только при громадных степенях сжатия, при которых плотность пара приближается к плотности жидкости. Создание слабого электрического поля в газе не вызывает в нем появления тока проводимости. Последний может возникнуть в газе в одном из двух случаев:

а) Наличие одновременно двух условий – фактора, обеспечивающего появление свободных носителей заряда (коротковолновое электромагнитное излучение, эмиссия электронов или ионов, высокая температура газа), и электрического поля любой напряженности, сообщающего им направленное движение. Причем устранение любого из этих условий уничтожает ток проводимости. В этом случае ток в газе или разряд в газе называют НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ.

б) Наличие только одного электрического поля, но с напряженностью, не меньшей некоторого определенного значения, зависящего от условий в газе и краевых условий на окружающих телах. Это случай САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА. Процесс развития этого вида разряда называют пробоем газа или зажиганием разряда.

При самостоятельном разряде в газе происходит множество разнообразных элементарных процессов, как в самом газе, так и на поверхностях ограничивающих его тел. Поэтому самостоятельный ток в газе сопровождается большим количеством сопутствующих ему явлений. Некоторые из них, как, например, возбуждение молекул газа и их последующее свечение, являются неизбежными следствиями механизма самостоятельного газового разряда.

Первой количественной теорией газового разряда была теория электронных лавин, предложенная Таунсендом в самом начале XX-го века. Эта теория применима к тем типам электрических разрядов в газах или к тем областям газового промежутка, в которых направленное движение электронов под действием электрического поля преобладает над их беспорядочным тепловым движением. Таунсенд ввел три коэффициента, характеризующие процессы ионизации газа. Первый коэффициент – КОЭФФИЦИЕНТ ОБЪЕМНОЙ ИОНИЗАЦИИ ГАЗА электронами  – обозначает число свободных электронов и равное ему число положительных ионов, образуемых одним электроном путем соударений с частицами газа при продвижении этого электрона на 1 см в направлении от катода к аноду. Второй коэффициент – это КОЭФФИЦИЕНТ ИОНИЗАЦИИ положительными ионами , равный числу ионизаций, производимых одним положительным ионом при продвижении его от анода к катоду на 1 см. Третий коэффициент  – это коэффициент ионно-электронной эмиссии катода. Он показывает, сколько электронов, вылетающих из катода, приходится в среднем на каждый положительный ион, попадающий на катод (т. е. к числу -процессов термо- и автоэлектронную эмиссии не относят).

Механизм разряда с помощью теории электронных лавин можно описать следующим образом. Для осуществления начала разряда необходимо образование хотя бы одного свободного электрона при помощи постороннего ионизатора. Этот процесс может происходить во всем объеме газа (например, за счет космического излучения или радиационного фона Земли) или же только на катоде (например, за счет случайного вылета из него электронов). Каждый электрон на пути к аноду ионизует молекулы газа. Освобожденные при этом электроны также направляются к аноду и тоже разбивают при соударениях молекулы газа на положительные ионы и электроны. Таким образом, число электронов, двигающихся по направлению к аноду, постепенно увеличивается с удалением от катода, и имеет место явление, которое носит наименование ЛАВИНЫ ЭЛЕКТРОНОВ. Чем больше расстояние между катодом и анодом при одной и той же напряженности поля, тем больше нарастание лавины на пути от катода до анода.

Путем несложных вычислений и рассуждений можно получить условие существования самостоятельного лавинного разряда:

[exp(d) – 1] = 1; (1.1)

где d – расстояние между катодом и анодом.

При выводе условия (1.1) пренебрегают ионизацией частиц газа положительными ионами (т.е. считается, что  = 0), поскольку она очень мала по сравнению с ионизацией за счет электронов.

Коэффициенты  и  являются функциями напряженности поля Е, а, следовательно, при данной геометрической конфигурации электродов и функциями разности потенциалов U между анодом и катодом. При прочих равных условиях  и  возрастают вместе с возрастанием U, и величина [exp(d) – 1] также увеличивается с увеличением U. То значение U, при котором [exp(d) – 1] становится равным единице, называют напряжением зажигания самостоятельного разряда U_з. С этой точки зрения (1.1) представляет собой условие перехода из несамостоятельного разряда в самостоятельный.

Как правило, переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному сопровождается резким увеличением силы тока и внезапным появлением свечения газа. Однако если ввести в цепь питания разряда очень большое сопротивление, то можно наблюдать постепенный переход к самостоятельному разряду.

При достаточно большом сопротивлении внешней цепи( 10⁶ Ом) и малых давлениях газа вначале наблюдается самостоятельный лавинный разряд с очень малой силой тока, который называют ТАУНСЕНДОВСКИМ РАЗРЯДОМ. В этом разряде искажением поля пространственными зарядами образующихся ионов можно пренебречь.

С уменьшением внешнего сопротивления и увеличением тока начинается искажение поля между электродами пространственными зарядами, и разряд переходит в НОРМАЛЬНЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД.

Отличительным признаком тлеющего разряда является распределение потенциала в газе, характеризуемое значительным КАТОДНЫМ ПАДЕНИЕМ потенциала, т.е. изменением потенциала порядка сотен вольт на протяжении от катода до области разряда, называемой ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТЛЕЮЩИМ СВЕЧЕНИЕМ. Это распределение потенциала обусловлено типичным для тлеющего разряда расположением пространственных зарядов.

Характерное для тлеющего разряда распределение потенциала имеет своим следствием также характерный вид разряда, как бы распадающегося на несколько различных частей:

1. Светящийся слой газа, называемый ПЕРВЫМ КАТОДНЫМ СВЕЧЕНИЕМ или КАТОДНОЙ СВЕТЯЩЕЙСЯ ПЛЕНКОЙ.

2. Катодная пленка не лежит непосредственно на катоде, а отделена от него темным слоем, обычно чрезвычайно тонким – ТЕМНЫМ АСТОНОВЫМ ПРОСТРАНСТВОМ.

3. За катодной светящейся пленкой следует ТЕМНОЕ КАТОДНОЕ ПРОСТРАНСТВО.

4. Темное катодное пространство резко переходит в ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ТЛЕЮЩЕЕ СВЕЧЕНИЕ, иногда называемое просто ТЛЕЮЩИМ СВЕЧЕНИЕМ.

5. В противоположную от катода сторону оно постепенно переходит в так называемое ФАРАДЕЕВО ТЕМНОЕ ПРОСТРАНСТВО.

Все пять перечисленных частей разряда называются катодными частями разряда. В первых четырех частях сосредоточены все процессы, необходимые для поддержания разряда.

6. Следующая за фарадеевым темным пространством часть разряда называется ОСТОВОМ РАЗРЯДА. В более или менее узких трубках остов разряда представляет собой столб ионизованного светящегося газа и называется ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СТОЛБОМ РАЗРЯДА.

7. При некоторых условиях между положительным столбом и анодом видно ТЕМНОЕ АНОДНОЕ ПРОСТРАНСТВО, а на самой поверхности анода - анодное свечение или АНОДНАЯ СВЕТЯЩАЯСЯ ПЛЕНКА.

Р

Рис.1. Схематическое распределение потенциала в тлеющем разряде.

1 – область прикатодного падения;

2 – тлеющее свечение;

3 – темное фарадеево пространство;

4 – область положительного столба;

5 – область прианодного падения

аспределение потенциала при тлеющем разряде вдоль разрядной трубки показано на рис.1.

Вольтамперная характеристика разряда при переходе его от несамостоятельного к самостоятельному изображена на рис. 2.

Ч

Рис.2. Характеристика разряда при переходе от таунсендовского (АВ) к тлеющему (BCDEF) и затем к дуговому (FG).

асть кривой АВ соответствует таунсендовскому разряду, кривая от В до D – так называемому НОРМАЛЬНОМУ ТЛЕЮЩЕМУ РАЗРЯДУ, при котором свечением покрыта лишь некоторая доля поверхности катода, увеличивающаяся с возрастанием тока. Характеристика здесь падающая поскольку при малых силах тока катодное падение остается постоянным, между тем как градиент поля в положительном столбе уменьшается с увеличением плотности тока.

С переходом к так называемому АНОМАЛЬНОМУ тлеющему разряду, когда вся поверхность катода покрыта свечением, прикатодное падение начинает увеличиваться с увеличением силы тока, притом в большей степени, чем уменьшается падение потенциала в положительном столбе при не слишком большой длине последнего. Поэтому характеристика становится вновь возрастающей (часть кривой DEF) .

Если еще дальше уменьшать внешнее сопротивление, то нагревание катода (благодаря ионной бомбардировке) настолько увеличивается, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия с катода. Величина прикатодного падения потенциала начинает уменьшаться, сила тока – возрастать и, наконец, и то, и другое достигают величин, характерных для дугового разряда (участок кривой FG). Вместе с этим переходом сужается, а затем пропадает темное катодное пространство, исчезают первое катодное свечение и астоново тёмное пространство.

В то время, как катодные и анодные части разряда имеют размеры, обуславливаемые природой и давлением газа и плотностью разрядного тока, остов тлеющего разряда заполняет остальное пространство трубки и при достаточно большой разности потенциалов между катодом и анодом может иметь любую длину. На явлениях, наблюдаемых в остове, не сказывается ни природа, ни состояние электродов, и весь остов является лишь частью разряда, служащей для передачи тока через газы.

При тлеющем разряде в широких сосудах положительного столба не наблюдается, и либо весь остов кажется совершенно темным (в He, Ne, H₂), либо в остове видно лишь слабое свечение (О₂, пары воды). В темном остове и в положительном столбе беспорядочное движение электронов преобладает над направленным. Развития электронных лавин здесь не происходит, и эта область тлеющего разряда представляет собой газ в состоянии ПЛАЗМЫ.

Благодаря беспорядочному тепловому движению электронов в плазме изолированные стенки, ограничивающие плазму, приобретают отрицательный заряд. На них образуется избыток электронов, попадающих на них раньше, чем положительные ионы, обладающие значительно меньшими скоростями. Поэтому потенциал стенки, граничащей с плазмой, всегда ниже потенциала плазмы.