263 lines
18 KiB
TeX
263 lines
18 KiB
TeX
|
\documentclass[a4paper,12pt]{article} % тип документа
|
|||
|
|
|
|||
|
|
% report, book
|
|||
|
|
|
|||
|
|
% Рисунки
|
|||
|
|
\usepackage{graphicx}
|
|||
|
|
\usepackage{wrapfig}
|
|||
|
|
\usepackage{mathtext}
|
|||
|
|
\usepackage[left=2cm,right=2cm,
|
|||
|
|
top=2cm,bottom=2cm,bindingoffset=0cm]{geometry}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\usepackage{hyperref}
|
|||
|
|
\usepackage[rgb]{xcolor}
|
|||
|
|
\hypersetup{ % Гиперссылки
|
|||
|
|
colorlinks=true, % false: ссылки в рамках
|
|||
|
|
urlcolor=blue % на URL
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
% Русский язык
|
|||
|
|
\usepackage[T2A]{fontenc} % кодировка
|
|||
|
|
\usepackage[utf8]{inputenc} % кодировка исходного текста
|
|||
|
|
\usepackage[english,russian]{babel} % локализация и переносы
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
% Математика
|
|||
|
|
\usepackage{amsmath,amsfonts,amssymb,amsthm,mathtools}
|
|||
|
|
\usepackage{titlesec}
|
|||
|
|
\titlelabel{\thetitle.\quad}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\usepackage{wasysym}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\author{Анна Назарчук Б02-109}
|
|||
|
|
\title{3.5.1 Изучение плазмы газового разряда в неоне}
|
|||
|
|
\date{}
|
|||
|
|
\begin{document}
|
|||
|
|
\maketitle
|
|||
|
|
\section{Аннотация}
|
|||
|
|
В работе изучается плазма газового разряда в неоне с помощью двойного зонда. Снимается ВАХ разряда в режиме поднормального тлеющего разряда. Получаются зондовые характеристики, рассчитываются параметры плазмы (например, $\omega_p$, $r_D$).
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Введение}
|
|||
|
|
Как известно, вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях
|
|||
|
|
— твёрдом, жидком и газообразном, причём эти состояния последовательно
|
|||
|
|
сменяются по мере возрастания температуры. Если и дальше
|
|||
|
|
нагревать газ, то сначала молекулы диссоциируют на атомы, а затем и
|
|||
|
|
атомы распадаются на электроны и ионы, так что газ становится ионизованным,
|
|||
|
|
представляя собой смесь из свободных электронов и ионов,
|
|||
|
|
а также нейтральных частиц. Если степень ионизации газа (отношение
|
|||
|
|
числа ионизованных атомов к их полному числу) оказывается достаточно
|
|||
|
|
велика, то поведение заряженных частиц приобретает коллективный характер,
|
|||
|
|
так что описание свойств среды не может быть сведено к описанию
|
|||
|
|
обычного газа, содержащего некоторое количество отдельных заряженных
|
|||
|
|
частиц. Такое состояние ионизованного газа и называется плазмой. Первое описание плазмы было дано в 1923 г. И. Ленгмюром. Современная физика термин "газовый разряд" трактует как не только процесс протекания тока через газ, но и любой процесс возникновения ионизации газа под действием внешнего поля. Это и планируется пронаблюдать в данной работе.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Поставка задачи}
|
|||
|
|
Получить вольт-амперную характеристику газового разряда, определить тип разряда. Рассчитать основные характеристики плазмы методом зондовых характеристик.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Теоретические сведения}
|
|||
|
|
Определяющими свойствами плазмы являются коллективный характер
|
|||
|
|
её движения и квазинейтральность (равенство нулю средней плотности
|
|||
|
|
заряда). Рассмотрим простейший вид коллективных плазменных
|
|||
|
|
колебаний.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\label{w_p}
|
|||
|
|
\omega_p=\sqrt{\frac{4\pi n_e e^2}{m_e}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
$\omega_p$ - плазменная частота (частота коллективных колебаний электронов относительно квазинейтрального состояния, так называемых ленгмюровских колебаний, определяет временной масштаб для плазмы)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Плазменный масштаб плазменных явлений задается дебаевским радиусом - амплитудой ленгмюровских колебаний, возбуждаемых тепловыми колебаниями
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
r_D = \sqrt{\frac{k_Б T_e}{4\pi n_e e^2}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Рассмотрим плазменное экранирование. В равновесную плазму ($T = T_e = T_i$) помещена массивная пробная частица заряда $+q$, с радиусом, большим $r_D$. Для электронов из закона Больцмана:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
n_e = n_{e0}\cdot \exp(\frac{e\varphi}{k_Б T})
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Аналогичное соотношение можно написать и для ионов (однозарядных). Температура электронов достаточно высока, поэтому:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\rho = -en_e+en_i\approx -en\cdot \frac{e\varphi}{k_Б T}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Уравнение Пуассона для одномерного случая:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\frac{d^2 \varphi}{dx^2}=-4\pi \rho
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Объединив два уравнения, получим аналогичное выражение:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
r_D = \sqrt{\frac{k_Б T_e}{4\pi n_e e^2}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Теперь рассмотрим неравновесную плазму ($T_e\neq T_i$):
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\label{R_De}
|
|||
|
|
r_{De} = \sqrt{\frac{k_Б T_e}{4\pi n_e e^2}}, \hspace{2mm}
|
|||
|
|
r_{Di} = \sqrt{\frac{k_Б T_i}{4\pi n_i e^2}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Поэтому в общем случае:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\label{r_D_общ}
|
|||
|
|
r_D = (r_{De}^2+r_{Di}^2)^{-1/2} = \sqrt{\frac{k_Б}{4\pi n_e e^2}\frac{T_eT_i}{T_e+T_i}}=
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Плазма - ионизированный газ, $r_D \ll a$, размера области, занимаемой газом.
|
|||
|
|
Плазма идеальна, если кулоновская энергия мала по сравнению с тепловой:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\omega_{кул} = -\frac{1}{2}n_i\frac{q^2}{r_D}, \hspace{2mm} \omega_{тепл} = n_ik_БT
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Отношение энергий есть число заряженных частиц в сфере с дебаевским радиусом:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\label{N_D}
|
|||
|
|
N_D = \frac{4}{3}\pi n_ir^3_D
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Плазма идеальна при $N_D\gg1$.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Методика измерений}
|
|||
|
|
\subsection{Плавающий потенциал}
|
|||
|
|
Измерение электрических потенциалов с помощью "зондов" - небольших проводников, вводимых в плазму. При внесении проводника в плазму, он подвергается "бомбардировке" со стороны её заряженных частиц. Из-за различий в скорости частиц проводник зарядится отрицательно с потенциалов (отн. плазмы) $-U_f$ - плавающий потенциал.
|
|||
|
|
Если бы $U_f = 0$:
|
|||
|
|
\begin{equation}\label{i_0}
|
|||
|
|
I_{e0} = \frac{n\bar{\upsilon_e}}{4}eS, \hspace{2mm} I_{i0} = \frac{n\bar{\upsilon_i}}{4}eS,
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Теперь $U_f \neq 0$: $I_i \approx I_{i0}$, согласно распределению Больцмана:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
I_e = I_{e0} \exp(\frac{eU_f}{k_БT_e})
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\subsection{Одиночный зонд}
|
|||
|
|
Схема измерений приведена на рис. \ref{одиночный}.
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\includegraphics[width=0.3\textwidth]{Одиночный}
|
|||
|
|
\caption{Исследование плазмы методом одиночного зонда} \label{одиночный}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Зависимость тока через зонд от потенциала зонда - зондовая характеристика (рис. \ref{зондовая_характеристика}).
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\includegraphics[width=0.3\textwidth]{Зондовая_характеристика}
|
|||
|
|
\caption{Зондовая характеристика} \label{зондовая_характеристика}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
Токи можно оценить из формулы \ref{i_0}:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
I_{ен} \approx I_{e0} = \frac{1}{4}n_eS\sqrt{\frac{8k_БT_e}{\pi m_e}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
Полуэмпирическая формула Д. Бома:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\label{бом}
|
|||
|
|
I_{iн} \approx 0.4 n_iS\sqrt{\frac{2k_БT_e}{m_i}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\subsection{Двойной зонд}
|
|||
|
|
Двойной зонд - система, состоящая из двух одинаковых зондов на небольшом растоянии друг от друга, между которыми создается небольшая (по сравнению с $U_f$) разность потенциалов $U$. При малых токах через зонд:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
U_1 = U_f +\Delta U_1, \hspace{2mm} U_2 = U_f +\Delta U_2
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
U = U_2 - U_1 = \Delta U_2 -\Delta U_1
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
Токи, приходящие на электроды:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
I_1 = I_{iн}(1-\exp(\frac{e\Delta U_1}{k_БT_e})), \hspace{2mm}
|
|||
|
|
I_2 = I_{iн}(1-\exp(\frac{e\Delta U_2}{k_БT_e}))
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
Из последовательного соединения зондов:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
I = I_{iн} th\frac{eU}{2k_БT_e}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
Вблизи $U = 0$:
|
|||
|
|
\begin{equation}
|
|||
|
|
\label{двойной_зонд}
|
|||
|
|
k_БT_e = \frac{1}{2}\frac{eI_{iн}}{\frac{dI}{dU}|_{U=0}}
|
|||
|
|
\end{equation}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\subsection{Установка}
|
|||
|
|
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке \ref{установка}. Трубка наполнена изотопом неона $^{22}Ne$ при давлении 2 мм рт. ст. При подключении к ВИП анода-I между ним и катодом возникает газовый разряд. Ток разряда измеряется миллиамперметром $A_1$, а падение
|
|||
|
|
напряжения на разрядной трубке — вольтметром $V_1$. При подключении к ВИП анода-II разряд возникает в пространстве между катодом и анодом-II, где находится двойной зонд, используемый
|
|||
|
|
для диагностики плазмы положительного столба.
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\begin{center}
|
|||
|
|
\includegraphics[width=0.6\textwidth]{Установка}
|
|||
|
|
\caption{Схема установки} \label{установка}
|
|||
|
|
\end{center}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Измерения и обработка данных}
|
|||
|
|
\subsection{Вольт-амперная характеристика разряда}
|
|||
|
|
С помощью вольтметра $V_1$ и амперметра $A_1$ измерили вольт-амперную
|
|||
|
|
характеристику разряда $I_p(U_p)$ (рис. \ref{ВАХ_разряда})
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\begin{center}
|
|||
|
|
\includegraphics[width=\textwidth]{U(I)_discharge}
|
|||
|
|
\caption{ВАХ разряда} \label{ВАХ_разряда}
|
|||
|
|
\end{center}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
По наклону кривой определили максимальное $R_{диф}=\frac{dU}{dI} = -68000 \pm 11000$ Ом. Полученный участок ВАХ соответствует поднормальному тлеющему разряду.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\subsection{Зондовые характеристики}
|
|||
|
|
При фиксированном токе разряда измерили вольт-амперную характеристику двойного зонда. (рис. \ref{ВАХ_зонда}). Для каждой зондовой характеристики определили ионный ток и наклон характеристики в начале координат по графику. Из полученных результатов рассчитаны $T_e$ (ф-ла \ref{двойной_зонд}), $n_i$ (ф-ла \ref{бом}), $\omega_p$ (ф-ла \ref{w_p}), $r_{De}$ (ф-ла \ref{R_De}) , $r_D$(ф-ла \ref{r_D_общ}), $N_D$ (ф-ла \ref{N_D}), $\alpha$ - степень ионизации плазмы. Результаты приведены в таблице \ref{data}, также построены графики зависимости
|
|||
|
|
электронной температуры и концентрации электронов от тока разряда (рис. \ref{от_тока_разряда}).
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\begin{center}
|
|||
|
|
\includegraphics[width=\textwidth]{I(U)_probe}
|
|||
|
|
\caption{ВАХ двойного зонда} \label{ВАХ_зонда}
|
|||
|
|
\end{center}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\begin{table}[h!]
|
|||
|
|
\caption{Характеристики плазмы для разных токов разряда $I_p$}
|
|||
|
|
\label{data}
|
|||
|
|
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
|
|||
|
|
\hline
|
|||
|
|
$I_p,$ мА & 1.5 & 3 & 3.4 \\ \hline
|
|||
|
|
$T_e,$ эВ & $ 3.1 \pm 0.2 $ & $ 4.2 \pm 0.1 $ & $ 3.7 \pm 0.4 $ \\ \hline
|
|||
|
|
$n_i, 10^{10}$ $ 1/см^3$ & $ 2.1 \pm 0.1 $ & $ 4.6 \pm 0.1 $ & $ 4.8 \pm 0.3 $ \\ \hline
|
|||
|
|
$\omega_p, 10^{9}$ $ рад/с$ & $ 8.2 \pm 0.2 $ & $ 12.0 \pm 0.1 $ & $ 12.4 \pm 0.4 $ \\ \hline
|
|||
|
|
$r_{De}, 10^{-3} $ $см$ & $ 9.0 \pm 0.8 $ & $ 7.2 \pm 0.2 $ & $ 6.5 \pm 0.7 $ \\ \hline
|
|||
|
|
$r_{D}, 10^{-3} $ $см$ & $ 0.82 \pm 0.03 $ & $ 0.56 \pm 0.01 $ & $ 0.54 \pm 0.03 $ \\ \hline
|
|||
|
|
$N_{D}$ & $ 49 \pm 6 $ & $ 34 \pm 1 $ & $ 33 \pm 6 $ \\ \hline
|
|||
|
|
$\alpha, 10^{-5}$ & $ 3.9 \pm 0.4 $ & $ 11.6 \pm 0.3 $ & $ 10.7 \pm 1.2 $ \\ \hline
|
|||
|
|
\end{tabular}
|
|||
|
|
\end{table}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\begin{center}
|
|||
|
|
\includegraphics[width=\textwidth]{T,n(I_p)}
|
|||
|
|
\caption{Зависимость электронной температуры и концентрации электронов от тока разряда} \label{от_тока_разряда}
|
|||
|
|
\end{center}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Обсуждение результатов}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
1. При сравнении вольт-амперной характеристики разряда (рис. \ref{ВАХ_разряда}) и графика вольт-амперной характеристики газового разряда из приложения к лабораторной работе (рис. \ref{приложение}) видно, что рассматривался участок ГД, соответствующий поднормальному тлеющему разряду.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\begin{figure}[h!]
|
|||
|
|
\begin{center}
|
|||
|
|
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{Приложение}
|
|||
|
|
\caption{Вольт-амперная характеристика разряда в неоне (из приложения)} \label{приложение}
|
|||
|
|
\end{center}
|
|||
|
|
\end{figure}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
2. По определению поляризационной длины $r_{De}$ плазму можно считать квазинейтральной, так как именно электронная дебаевская длина определяет масштаб, на котором нарушается квазинейтральность из-за тепловых флуктуаций электронов относительно ионов, а $r_{De} \sim 10^{-2} см$, что много меньше размеров области.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
3. Оценив число ионов в дебаевской сфере $N_D \sim 40$, видно, что число частиц много больше 1, что позволяет называть плазму идеальной.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
4. Определить зависимость электронной температуры от тока разряда с помощью полученных данных (рис. \ref{от_тока_разряда}) невозможно из-за малого числа точек и достаточной погрешности результатов. Однако можно качественно оценить зависимость концентрации электронов от тока разряда: график напоминает линейную или степенную зависимость, что достаточно ожидаемо, при увеличении тока разряда увеличивается и число электронов в газе.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\section{Выводы}
|
|||
|
|
Из ВАХ разряда подтверждено, что исследуется тлеющий газовый разряд.
|
|||
|
|
Экспериментальная зондовая характеристика подтверждает теоретическую зависимость: $I = I_{iн} th\frac{eU}{2k_БT_e}$, количество ионов в дебаевской сфере $N_D \sim 40$ показывает идеальность плазмы. Остальные характеристики плазмы получились схожими по порядку с примерами в инструкции к работе, что подтверждает справедливость метода измерений. Однако не удалось оценить зависимость температуры электронов от тока разряда из-за неточных измерений и малого их числа.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
\end{document}
|