Способ определения концентрации и эффективной частоты столкновений электронов в низкотемпературной столкновительной плазме и устройство для его осуществления

Способ определения концентрации и эффективной частоты столкновений электронов в низкотемпературной столкновительной плазме и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к области диагностики плазмы СВЧ методами и может быть использовано при лабораторных исследованиях различных плазменных образований. Цель изобретения - повышение точности определения параметров концентрации электронов N_e и _эф эффективной частоты столкновений в области концентраций электронов N_e>N_кр N_кр - критическая концентрация электронов, при которой частота ЭВМ =_p, где _p - плазменная частота электронов, и расширение номенклатуры исследуемых объемов с плазмой. Способ включает модуляцию ЭВМ импульсами заданной длительности, пропускание промодулированной ЭВМ через плазму по длинной линии, измерение затухания ЭВМ в плазме, измерение объемного сопротивления плазмы между проводниками длинной линии в течение длительности импульса модуляции, определение параметров плазмы N_e и _эф по формулам, приведенным в описании изобретения. В устройстве, реализующем способ, измерение затухания ЭВМ производят по определению отношения амплитуд прошедшей и падающей волн, измерение объемного сопротивления плазмы - по кривой разряда измерительного конденсатора известной емкости через плазму между проводниками длинной линии. Повышение точности определения параметров N_e и _эф достигается за счет измерения затухания ЭМВ и объемного сопротивления в одном эксперименте в один и тот же момент времени и на одном и том же профиле распределения электронов по энергиям и за счет учета конечной проводимости проводников длинной линии. Расширение номенклатуры исследуемых объемов с плазмой достигается за счет применения длинной линии для передачи ЭМВ через плазму и измерения объемного сопротивления плазмы. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерений параметров материалов электро- и радиотехническими методами, а точнее к области диагностики плазмы сверхвысокочастотными (СВЧ) электромагнитными волнами (ЭМВ), может быть использовано при лабораторных исследованиях СВЧ-методами различного рода плазменных образований, например, в ударных трубах, коаксиальных генераторах плазмы и т.д. Целью изобретения является повышение точности определения параметров N_e и _эф в диапазоне концентрацией электронов N_е> N_кр и расширение номенклатуры исследуемых объемов с плазмой. На чертеже изображена блок-схема устройства, которое реализует предложенный способ. Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит СВЧ генератор 1, модулятор 2, выход которого подключен к входу внешней модуляции СВЧ-генератора 1, последовательно подключенные к выходу СВЧ-генератора 1 регулируемый аттенюатор 3 и первый направленный ответвитель 4; измерительный конденсатор 5 с цепью заряда, управляемый ключ 6 в цепи разряда конденсатора 5, подключенной к второму входу первого направленного ответвителя 4; герметичный отрезок 7 коаксиальной линии, подключенный к выходу первого направленного ответвителя 4, второй направленный ответвитель 8, вход которого подключен к выходу герметичного отрезка 7 коаксиальной линии, амплитудный детектор 9 на одном из выходов второго направленного ответвителя 8, регистратор 10, к одному из входов которого подключен амплитудный детектор 9, к другому - второй выход второго направленного ответвителя 8, и синхронизатор 11, первый и второй выходы которого подключены к входу синхронизации регистратора 10 и управляющему входу ключа 6 соответственно. Определение параметров плазмы N_е и _эф производится следующим образом. Задают рабочую частоту ЭМВ, на которой измеряется затухание ЭМВ в плазме. Поскольку в техническом решении рассматривается диапазон концентраций электронов в плазме N_е> N_кр, что соответствует частотному диапазону ²<<_эф², то рабочую частоту выбирают именно в диапазоне частот ²<_эфмин², где _{эф мин} - минимальная заданная эффективная частота столкновений электронов. Для этого оценивают значение эффективной частоты столкновений _эф в исследуемом объеме с плазмой каким-либо способом, например по приближенной формуле, верной для диапазона температур Т электронов в газе 2000 Т 6000K _эф=7,7 10¹¹ p, с^-1 (1) где p - давление газа в объеме с плазмой, МПа. Значение p находят, например, из решения уравнения состояния газа в рабочем объеме с плазмой, при этом выбирают минимальное значение p, например p=2 МПа. Вычисляют _{эф мин}=1,5 10¹² с^-1. По найденному значению _эф задают рабочую частоту в диапазоне ²<_эфмин² например = 2 10⁹ с^-1, ² =1,7 х 10⁵ _эфмин . Задают толщину слоя плазмы l такой, чтобы затухание ЭМВ на заданной рабочей частоте составляло бы величину не более 25-30 дВ, например l=0,05 м. Выбирают тип и конструкцию длинной линии, проходящей через объем с плазмой. Тип и конструкция длинной линии полностью задают погонную емкость С_о и погонное сопротивление r_o длинной линии на заданной рабочей частоте . Конструкцию длинной линии выбирают такой, чтобы ее удобно было поместить в объеме с плазмой. Погонные параметры длинной линии определяют по формулам для двухпроводной линии C_o = , Ф/м, r_o = , Ом/м для коаксиальной линии C_o = , Ф/м r_o = + , Ом/м где _o- электрическая постоянная, _o= (35 10⁹)^-1 Ф/м; b - заданное расстояние между проводниками двухпроводной линии, м; a - радиус проводников двухпроводной линии, м; _o - магнитная постоянная, _o = 4 10^-7 Гн/м; - заданная рабочая частота, с^-1; ₁ - заданная проводимость материала проводников линии, См/м; D - заданный диаметр внешнего проводника коаксиальной линии, м; d - заданный диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии, м. Задают длительность импульса модуляции _м такой, чтобы эта длительность была бы в области характерного времени релаксации в плазме, т.е. _м = (_эфмин)^-1 (2), где _эфмин - заданная минимальная эффективная чаcтота столкновений электронов, вычисленная по формуле (8), например _эфмин = 1,5 10¹² с^-1; - доля энергии, отдаваемой электроном при одном столкновении, = 10^-4-10⁶. Вычисляют по формуле (2) значение _м, например _м= 1 мкс. Модулируют импульсами заданной длительности _м ЭМВ на заданной частоте . Промодулированную ЭМВ пропускают по длинной линии, проходящей через объем с плазмой. В момент измерения затухания ЭМВ измеряют также объемное сопротивление R плазмы между проводниками длинной линии. Измерение затухания и объемного сопротивления плазмы производят за одно и то же время - в течение длительности модулирующего импульса. По измеренному значению затухания ЭВМ в плазме вычисляют показатель затухания ЭМВ в плазме по формуле = (3) где - показатель затухания ЭМВ, Нп; _o - длина волны, соответствующая рабочей частоте, м; l - толщина слоя плазмы, м; - измеренное затухание ЭМВ в плазме, дБ. Конструкцию электронов N_е и эффективную чаcтоту столкновений _эф электронов определяют по следующим формулам: N_e=4,010¹²/(²+1) - - Rl (4) _эф=1,1310¹¹/(²+1) - - (5) где - измеренный показатель затухания промодулированной ЭМВ, Нп; R - измеренное объемное сопротивление плазмы, Ом; C_o - заданная погонная емкость длинной линии, Ф/м; l - заданная толщина слоя плазмы, м; _o - электрическая постоянная, _o= (3610³)^-1, Ф/м; _o - заданная длина рабочей волны в свободном пространстве, м; r_o - заданное погонное сопротивление длинной линии на рабочей частоте, Ом/м. Устройство работает следующим образом. Устанавливают заданную рабочую частоту на СВЧ-генератора, например = 210⁹ с^-1. Устанавливают заданную длительность импульса модуляции согласно формуле (2), например _м= 1 мкс. Заряжают измерительный конденсатор 5 по цепи заряда до величины начального напряжения заряда U_н. Величину U_н задают согласно выражению U_o U_н0,1 E_p(R_o-r), (6) где U_o - заданная чувствительность регистратора, В; Е_p - заданная напряженность плазменного поля, В/см; R_o - внутренний радиус внешнего проводника коаксиального геометрического отрезка 7, см, например R_o=3,5 см; r - радиус внутреннего проводника отрезка, см, например r=1,5 см. Величины R_o и r определяются выбором типа и конструкции длинной линии. Величину напряженности плазменного поля E_p оценивают по формуле E_р=4,210 (7) где _эфмин - заданная величина эффективной частоты столкновений электронов по формуле (8), например _эф=1,5 10¹² с^-1; Т - температура электронов в газе, К; - доля энергии, отдаваемая электроном при одном столкновении, например =10^-5. Значение температуры электронов в газе находят так же как и p, из решения уравнения состояния газа в объеме с плазмой, например Т=3500 К. Величину U_o определяют по паспорту регистратора. Импульсы модуляции с модулятора 2 подают на вход внешней модуляции СВЧ генератора 1 и модулируют ЭМВ генератора. Полученную промодулированную ЭМВ с выхода СВЧ-генератора 1 через регулируемый аттенюатор 3 и первый направленный ответвитель 4 пропускают через герметичный отрезок 7 коаксиальной линии, заполненный плазмой. Ослабленная в результате взаимодействия с плазмой ЭМВ с выхода коаксиального отрезка 7 через второй направленный ответвитель 8 поступает на амплитудный детектор 9. Продетектированные импульсы с детектора 9 поступают на одни из входов регистратора 10 для регистрации. В момент подачи импульса синхронизации с синхронизатора 11 запускается регистратор 10 и включается управляемый ключ 6 в цепи разряда измерительного конденсатора 5. Заряженный измерительный конденсатор 5 через ключ 6 и первый направленный ответвитель 4 подключается к коаксиальному отрезку 7, заполненному плазмой. Одновременно с прохождением ЭМВ по отрезку 7 с плазмой происходит разряд измерительного конденсатора 5 через плазму между проводниками коаксиального отрезка 7. Напряжение разряда с выхода коаксиального отрезка 7 через второй направленный ответвитель поступает на второй вход регистратора 10 для регистрации. Продетектированные детектором 9 импульсы прошедшей через плазму ЭМВ и кривую напряжения разряда измерительного конденсатора 5 регистрируют на регистраторе 10. Определение параметров N_е и _эф производят следующим образом. Измеряют амплитуду зарегистрированных продетектированных импульсов прошедшей через плазму ЭМВ. По измеряемым амплитудам вычисляют затухание ЭМВ в плазме и показатель затухания по формуле (3). По зарегистрированной кривой разряда измерительного конденсатора 5 измеряют напряжение на конденсаторе U₁ в момент начала модулирующего импульса и U₂ в момент окончания модулирующего импульса. Сопротивление плазмы между проводниками коаксиального отрезка 7 вычисляют по формуле R = где _м - заданная длительность модулирующего импульса, с; С - емкость измерительного конденсатора, Ф.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОЙ ЧАСТОТЫ СТОЛКНОВЕНИЙ ЭЛЕКТРОНОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 1. Способ определения концентрации и эффективной частоты столкновений электронов в низкотемпературной столкновительной плазме, включающий зондирование плазмы электромагнитной волной, распространяющейся по линии передачи, измерение затухания волны в плазме и определение концентрации электронов N_l и эффективной частоты столкновений _эф, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения параметров N_l и _эф в диапазоне концентраций электронов большей критической концентрации, определяемой плазменной частотой электронов, и расширения диапазона исследуемых объемов плазмы, в качестве линии передачи используют длинную линию, зондирование осуществляют импульсом длительности _м, одновременно в течение времени _м, измеряют объемное сопротивление плазмы между проводниками длинной линии, а концентрацию N_l, эффективную частоту столкновений _эф электронов и длительность импульса _м определяют из следующих соотношений: _м<(_{эф мин})^-1, с, где - измеренный показатель затухания зондирующей волны; R - измеренное объемное сопротивление плазмы, Ом; C₀ - заданная погонная емкость длинной линии, Ф/м; l - заданная толщина слоя плазмы, м; e_o - электрическая постоянная, _o=(3610⁹)^-1, Ф/м; - заданная длина рабочей волны в свободном пространстве, м; r₀ - заданное погонное сопротивление длинной линии на рабочей частоте, Ом/м; d - доля энергии, отдаваемая электродом при одном столкновении, =10^-4-10^-6; _{эф мин} - заданная минимальная эффективная частота столкновений электронов. 2. Устройство для определения концентрации и эффективной частоты столкновений электронов в низкотемпературной столкновительной плазме, содержащее СВЧ-генератор, к выходу которого подключен регулируемый аттенюатор, линию передачи электромагнитной волны и последовательно соединенные амплитудный детектор и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения параметров N_l и _эф в диапазоне концентраций электронов, большей критической частоты, определяемой плазменной частотой электронов, и расширения диапазона исследуемых объемов с плазмой, линия передачи выполнена в виде герметичного отрезка коаксиальной линии, в устройство введены модулятор, выход которого подключен к входу внешней модуляции СВЧ-генератора, первый направленный ответвитель, один из входов которого подключен к выходу аттенюатора, а выход - к входу коаксиального отрезка, второй направленный ответвитель, вход которого подключен к выходу коаксиального отрезка, первый выход - к входу детектора, второй выход - к второму входу регистратора, измерительный конденсатор с цепью заряда и управляемый ключ в цепи разряда, подключенной к второму входу первого направленного ответвителя, и синхронизатор, первый и второй выходы которого подключены к входу синхронизации регистратора и управляющему входу ключа соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1