СПОСОБ ЗОНДОВОЙ ДИАГНОСТИКИ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЫ

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения электронных токов с целью определения пространственно-временного распределения концентрации заряженных частиц и может быть использовано для диагностики неоднородного слоя плазмы, контроля параметров плазмы в технологических установках.

Из существующего уровня техники известны способы и устройства измерения электронной концентрации плазменных образований с помощью электрического зонда Ленгмюра [1-6], основанные на активном зондировании исследуемой плазмы током малой интенсивности. 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 относительно одного из инициирующих разряд электродов (чаще всего находящегося под нулевым потенциалом). Регистрируют зависимость тока зонда от подаваемого на него потенциала, т.е. снимают зондовую вольт-амперную характеристику (ΒΑΧ), по которой судят о концентрации электронов плазмы.

Недостатком данного типа устройств является то, что ток зонда регистрируется для неустановившегося режима, что приводит к погрешности в определении вольт-амперных характеристик, а следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.

Наиболее близкими по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению являются способ и устройство по патенту RU 2503158, опубл. 27.12.2013, Бюл. №36.

Способ включает установку зонда в плазму, приложение к зонду дискретных ступенчатых импульсов напряжения, регистрацию вольт-амперной характеристики, измеряют потенциал пространства плазмы, напряжение каждой последующей ступени в импульсе задают большим по сравнению с предыдущей, ступени формируют с временными интервалами между ними, во время которых потенциал на зонде устанавливают равным потенциалу пространства плазмы. При этом длительность каждой ступени и интервалы времени между ними устанавливают не менее времени восстановления квазинейтральности плазмы. Устройство для зондовой диагностики плазмы содержит источник питания, зонд, генератор дискретных ступенчатых импульсов напряжения и блок измерения, генератор запускающих импульсов, соединенный с генератором дискретных ступенчатых импульсов. Генератор дискретных ступенчатых импульсов состоит из блока коммутации, источников постоянной ЭДС и микропроцессора, управляющего блоком коммутации, а блок измерения включает набор переключаемых резисторов.

Известный способ не позволяет определить распределение концентрации плазмы. Это было бы возможно осуществить путем перемещения по объему плазменного образования одного двухэлектродного зонда, подключенного к генератору ступенчатых напряжений. Такой подход находит свое применение в случае плазмы стационарного газового разряда либо импульсного разряда с высокой повторяемостью параметров. В случае изменений условий среды и соответственно параметров плазмы либо в случае возникновения неповторяемых условий применение указанного способа приведет к потере информации и искажению результатов измерений. Аналогичный результат возможен в случае возникновения в плазме процессов, приводящих к изменению параметров плазменного образованию по объему. Такой эффект возможен, например, в результате взаимодействия электромагнитных волн с магнитоактивной плазмой, возбуждением высокоэнергетичных возмущений в плазме. Кроме того, перемещение зонда от импульса к импульсу не обеспечивает воспроизводимости начальных условий эксперимента, что обусловлено возмущением зондом плазмы. В то же время применение для измерения распределения параметров плазмы множества двухэлектродных зондов, подключенных к осциллографам, затруднительно, т.к. имеет место электрическая изолированность зондовой цепи, что подразумевает использование значительного количества применяемого оборудования.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в измерении пространственно-временного распределения магнитоактивных плазменных образований различной геометрии в широком диапазоне исследуемых параметров за один импульс.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения состояния плазмы путем определения пространственно-временного распределения ее параметров в одном импульсе плазмы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе зондовой диагностики магнитоактивной плазмы, включающем установку двухэлектродного зонда в плазму, приложение к зонду ступенчатого импульса напряжения, регистрацию тока с последующим построением вольт-амперной характеристики и определением концентрации электронов в области установки зонда, которая отражает состояние плазмы в данной области, дополнительно устанавливают в плазму по крайней мере еще один зонд, идентичный первому, при этом расстояние между зондами выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов, осуществляют зондирование плазмы путем одновременного приложения одинакового импульса напряжения ко всем зондам и с помощью устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, регистрируют ток, затем зарегистрированные сигналы передают на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов, по полученным результатам определяют пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния.

Установка в плазму по крайней мере еще одного зонда, идентичного первому, позволяет регистрировать распределение параметров плазмы.

Выбор расстояния между зондами из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов необходим для того, чтобы избежать искажения результатов измерений.

Приложение к дополнительному зонду импульсов напряжения одновременно с приложением импульсов напряжения к первому зонду позволяет проводить снятие вольт-амперных характеристик одновременно для всех зондов.

Применение устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, позволяет выполнить требования, предъявляемые к регистрирующей аппаратуре, работающей в сильных электромагнитных полях, к оцифровке сигнала, обеспечить точность измерений от разных зондов при относительно низкой стоимости.

Передача сигналов на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов позволяет использовать программное обеспечение, позволяющее определить и визуализировать пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния. Знание картины распределения плотности плазмы позволяет определить, например, область возникновения ее неустойчивости, моделировать процессы, контролировать однородность плотности в плазменных устройствах и т.д.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором в виде блок-схемы изображена система определения распределения концентрации электронов в магнитоактивной плазме, где:

1 - формируемая магнитоактивная плазма;

2 - двухэлектродный зонд;

3 - регистратор зондовых токов;

4 - генератор дискретных импульсов напряжения;

5 - ПК.

Регистратор зондовых токов представляет собой устройство, блок-схема которого представлена на фиг. 2, где:

6 - усилитель сигналов;

7 - низкочастотный фильтр,

8 - микроконтроллер.

На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема эксперимента.

На фиг. 4 представлена фотография двойного электрического зонда, где:

9 - электроды двухэлектродного зонда,

10 - капилляр.

На фиг. 5 представлено аксиальное распределение плотности электронов.

Заявляемый способ можно пояснить с помощью изображенной на фиг. 1 блок-схемы, выполненной на основе регистратора зондовых токов (фиг. 2). Блок-схема включает шесть зондов, каждый из которых подключен к генератору напряжений ступенчатой формы и регистратору зондовых токов, снабженному автономным источником питания, в качестве которого используют аккумулятор 6,5 В, емкостью 4,5 А·ч. Зонды размещены относительно друг друга на расстоянии 1 м.

Регистратор (фиг. 2) содержит операционный усилитель, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, средства изоляции от сети переменного напряжения. Зонд (фиг. 4) представляет собой систему из двух идентичных цилиндрических вольфрамовых электродов 28 Ш0,15 мм с длиной неизолированной части 10 мм. Каждый электрод помещен в стеклянный капилляр-держатель 29 с наружным диаметром 1,5 мм. Электроды зонда расположены на расстоянии 3 мм друг от друга. Согласно [6] такая геометрия двойного зонда позволяет проводить корректные измерения.

В качестве примера работы предлагаемого изобретения может служить исследование динамики изменения аксиального распределения концентрации плазменного столба 1. Столб плазмы 1 формировался на экспериментальном стенде (фиг. 3) с помощью низковольтного дугового разряда в Ar при давлении 5·10^-4 Торр в магнитном поле индукцией 60 мТл. Для данных значений индукции магнитного поля и давления плазма является частично замагниченной, в которой электроны являются замагниченными, а ионы - нет.

Шесть генераторов ступенчатых напряжений 4 формируют на шести зондах 2 напряжение соответствующей формы. Длительность импульса напряжения может варьироваться в зависимости от экспериментальных условий. Далее, сигнал с двухэлектродного зонда 2 поступает в усилительный каскад 6, в котором установлен операционный усилитель AD 620 и блок резисторов, обеспечивающий изменение коэффициента усиления. Для того чтобы избавиться от влияния усиленных высокочастотных составляющих сигнала, которые не несут информационной нагрузки, используется фильтр нижних частот 7. Далее сигнал поступает на микроконтроллер 8 ATmega128. Полученные измерения записываются в память микроконтроллера 8 и затем передаются посредством интерфейса RS-485 на персональный компьютер 5. Изоляция регистратора 3 от внешних потенциалов осуществляется следующим образом. Импульс, запускающий системы, имеет гальваническую развязку с помощью оптрона TLP 759. Гальваническая развязка интерфейса RS-485 обеспечивается микросхемой ADM 2483.

Сигналы с регистраторов 3 передают на персональный компьютер 5 для обработки и построения вольт-амперных характеристик, по которым определяют параметры плазмы в области установки конкретного зонда 2 и пространственно-временное распределение параметров плазмы 1.

Из фиг. 5 видно, что распределение плотности электронов по длине плазменного столба носит убывающий характер. В течение разряда распределение плотности плазмы 1 по длине практически не изменяется. Максимальное значение концентрации - 1,3·10¹⁰ см^-3 наблюдается на расстоянии 1 м от катода. Минимальное значение концентрации составляет 0,25·10 см^-3 для расстояния 6 м от катода. Полученные данные были использованы для проведения расчетно-теоретических исследований и уточнения физических моделей.

Источники информации

[1] Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969, 292 с.

[2] Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996, 240 с.

[3] Б.В. Алексеев, В.А. Котельников. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988, 240 с.

[4] Методы исследования плазмы // Спектроскопия, лазеры, зонды. / Под редакцией В. Лохте-Хольтгревена, перевод с англ. под редакцией С.Ю. Лукьянова. М.: Издательство «Мир», 1971, 552 с.

[5] Патент RU 2351101 «Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах», опубликовано: 27.03.2009. Бюл. №36.

[6] Ю.М. Каган, В.И. Перель // Журн. техн. физ. Т. 35. 1965. С. 2069-2075.