\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}