Моделирование процессов плазменной электроники методические указания к лабораторным работам СанктПетербург Издательство спбгэту "лэти" 1 2008 2
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
7.3. Содержание отчета Цель работы. 2. Устройство и принцип действия ГИП. 3. Схема экспериментальной установки. 4. Таблица значений в, для каждой из пяти точек 5 значений. Для одной точки дать влияние внешней зависимости на в. Зависимость вот н. ВАХ для трех точек. 7. Выводы о проделанной работе. Лабораторная работа № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДОВ Цели работы ознакомление с зондовой методикой диагностики газоразрядной плазмы и экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления. 8.1. Основные сведения Газоразрядная плазма – это ионизированный газ, в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой, а дебаевский радиус экранирования существенно меньше характерного размера объема, в котором находится ионизованный газ. Примером низкотемпературной плазмы является положительный столб тлеющего разряда и дуги низкого давления. Плазма положительного столба в осевом направлении однородна и стационарна во времени. Распределение электронов по скоростям является, как правило, максвелловским, при этом хаотическое движение частиц преобладает над их направленным движением. В газоразрядной плазме электроны и ионы приобретают энергию под действием продольного электрического поля, поэтому энергия электронов и ионов выше энергии нейтральных атомов. В свою очередь, энергия электронов много больше энергии ионов. Объясняется это тем, что электроны, приобретая энергию в электрическом поле, теряют ее в результате соударения с атомами. В слабоионизованной плазме преобладают упругие соударения электронов с атомами, при этом обмен энергией зависит от отношения массы электрона к массе атома. Поскольку это отношение гораздо меньше единицы, то потери энергии электронов при соударении с атомами весьма малы. Для ионов получается другая ситуация масса ионов соизмерима с массой атома и при упругом соударении с ним ион может терять значительную часть своей энергии. Для максвелловского распределения по скоростям средняя энергия частиц характеризуется их температурой. В связи с этим в газоразрядной плазме температура электронов ( T e ), температура ионов ( T i ) и температура атомов ( T 37 a ) связаны следующим неравенством a i e T T T > >> Основные параметры плазмы концентрация, температура, потенциал пространства и градиент потенциала могут быть определены с помощью метода электрических зондов, разработанного Ленгмюром (1924). Зонд – это вспомогательный металлический электрод, который вводится в плазменный объем для его исследования. Размеры зонда выбираются обычно достаточно малыми, чтобы можно было пренебречь падением потенциала вдоль зонда и искажениями поля, вносимыми зондом в исследуемый разряд. Применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Относительно одного из электродов на зонд задается потенциал и снимается зависимость поступающего тока от значения этого потенциала. Параметры плазмы определяются из вольт-амперной характеристики зонда. Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов i e з I I I + = На риса представлена типичная зондовая характеристика, получаемая при погружении в плазму вспомогательного электрода. Ток частиц, поступающий на поверхность, зависит от приложенной разности потенциалов между плазмой и рабочей поверхностью зонда. з ln I e Δln I з U п α Δln U з U з а в с 0 I з U ст I з0 U п i i i e e d f б а Рис. 8.1. Зондовая характеристика и метод ее обработки Большим отрицательным потенциалам зонда соответствует участок ab , когда от него отталкиваются практически все электроны. В этом случае вокруг зонда формируется слой положительного объемного заряда, поле внутри которого уменьшается от зонда к границе невозмущенной плазмы. Толщина слоя автоматически устанавливается такой, чтобы положительный заряд ионов нейтрализовал бы действие отрицательного потенциала зонда. За пределами этого слоя влияние зонда на плазму не ощущается. 38 Электроны, приходящие из плазмы и не имеющие достаточной энергии для преодоления тормозящего поля, отталкиваются, а положительные ионы, приходящие к оболочке и проникающие в нее, попадают в ускоряющее поле и перемещаются к зонду. Ток на зонд обусловлен исключительно положительными ионами. В пределах области плазмы, непосредственно примыкающей к слою, окружающему зонд, концентрация ионов спадает последующему закону , при этом их скорость равна i e s i / m kT v = ) / ( exp ) ( e з. Ионный ток на границе слоя пространственного заряда составляет величину , где S – площадь слоя, окружающего зонд. При большой поверхности зонда его площадь можно принять равной площади слоя. Отсюда ионный ток насыщения на плоский зонд определяется выражением S v en I s i i i = i e e i0 i0 / 5 0 m kT Sen S j I = = , где j i0 – плотность беспорядочного ионного тока в плазме S – приемная поверхность зонда. В неподвижной плазме ток насыщения ионов на зонд связан лишь с ее эмиссионной способностью. На внешней границе слоя объемного заряда существует переходная область, в которой находятся не только ионы, но и наиболее подвижные электроны плазмы. Толщина этой области значительно меньше толщины слоя при значительных отрицательных потенциалах зонда. С уменьшением (по абсолютному значению) отрицательного потенциала, задаваемого на зонд, уменьшается и толщина слоя, но ионный ток на зонд при этом остается неизменным. Крутой подъем характеристики на участке bd связан с появляющейся возможностью выхода из плазмы на зонд электронов, способных преодолеть действие тормозящего поля. Зависимость концентрации электронов от координаты, отнесенное к единице времени и единице поверхности зонда, имеет вид ст e0 e ) ( exp ) ( kT U U e n x n , где n – концентрация электронов на границе слоя ест – потенциал изолированной стенки, или плавающий потенциал плазмы U 0 – потенциал пространства в точке расположения зонда. 39 За счет попадающих на зонд электронов ток вцепи зонда уменьшается, так как часть заряда, отдаваемого зонду положительными ионами, компенсируется приходящими из плазмы электронами. При некотором значении потенциала токи на зонд выравниваются, ив точке c потенциал становится равным нулю. В этом случае потенциал зонда равен потенциалу изолированной стенки и называется плавающим потенциалом. Электронный ток, протекающий вцепи зонда, зависит от потенциала ст e e e e ) ( exp 8 25 При дальнейшем уменьшении потенциала ток на зонд становится преимущественно электронными при этом быстро нарастает по закону Больцмана до тех пор, пока потенциал зонда не сравняется с потенциалом окружающей его плазмы. Потенциал зонда в точке излома (точка d ) соответствует потенциалу пространства, те. плазмы в точке расположения зонда. При этом потенциале положительный слой объемного заряда вокруг зонда исчезает. Зонд становится как бы прозрачным для электронов и ионов. Они приходят к нему в процессе беспорядочного движения, не испытывая при этом ни притяжения, ни отталкивания. Ток на зонд равен разности плотностей беспорядочных электронного и ионного токов, умноженной на площадь зонда. Из условия равенства токов можно найти потенциал плазмы i e I I = e п Дальнейшее повышение положительного потенциала зонда приводит к быстрому излому входе зондовой характеристики (участок de ). При дальнейшем повышении потенциала около зонда формируется уже электронная оболочка. Положительные ионы, входя в оболочку, испытывают действие поля зонда и выталкиваются обратно в плазму, а электроны, попадая в ускоряющее для них поле, уходят на зонд. На участке ef на зонд идет чистый электронный ток, который слабо зависит от потенциала зонда. Насыщение электронного тока на зонд физически объясняется тем, что на зонд приходит хаотический ток электронов из плазмы, плотность тока которого – величина постоянная. С другой стороны, в оболочке должен соблюдаться закон степени, который в рассматриваемом случае можно представить в виде 2 з e e e0 e 10 33 2 8 25 0 d U S m kT Sen S j I − ⋅ = π = = , (8.1) 40 где U – потенциал зонда относительно плазмы d – толщина оболочки. з Из выражения (8.1) следует, что с ростом потенциала зонда возрастает толщина электронной оболочки, ее поверхность почти не изменяется, неизменным остается и электронный ток на зонд (участок ef ). Выражение (8.1) строго справедливо для плоского зонда сохранным кольцом. Для цилиндрического зонда может наблюдаться некоторый рост S , однако, так как толщина оболочки много меньше диаметра зонда, можно считать на участке ef электронный ток примерно постоянным. При рассмотрении изменения электронного тока на восходящем участке зондовой характеристики предполагают, что электроны имеют максвелловское распределение по скоростям. В этом случае число электронов, попадающих в единицу времени на единицу площади зонда перпендикулярно к его поверхности в интервале скоростей от v v v ∂ + до ( ), определяется как dv v v v n v dn v ) / exp( ) ( 2 0 2 При этом следует уточнить, что на зонд попадают только те электроны, у которых составляющая скорости v удовлетворяет соотношению . Следовательно, полное число электронов, достигающих зонда, определяется интегрированием этого выражения в пределах от доз з. Умножив данное выражение на заряд электрона, получим плотность электронного тока на зонд при его потенциале з относительно плазмы ( ) e з e з / exp kT eU j j − = или после логарифмирования ) / ( ln ln з e e з kT eU j j − = Полученное уравнение показывает, что зависимость логарифма плотности электронного тока на зонд от потенциала зонда (при отрицательных относительно плазмы потенциалах) имеет линейный характер (рис. 6.1, б. Тангенс угла наклона этой прямой коси абсцисс удовлетворяет соотношению з е з ln tg kT e U j = Δ Δ = α , откуда определяется температура электронов е з з ln 600 б tg 1 600 б tg 1 j U k e T Δ Δ = = = , 41 где – приращение логарифма электронного токае з з – вызвавшее это приращение изменение потенциала зонда. На практике логарифмируют неплотность электронного тока на зонда полный электронный ток на зонд. То, что экспериментальные полулогарифмические характеристики действительно имеют прямолинейный участок, подтверждает правильность предположения о максвелловском характере распределения электронов по скоростям (энергиям) в плазме. з Зная температуру и плотность беспорядочного электронного тока в плазме, можно определить концентрацию электронов и равную ей концентрацию положительных ионов в плазме e e e0 i e 2 m T k e S I n n π = = , где I берется для потенциала зонда, равного потенциалу плазмы. Для определения продольного градиента потенциала необходимо в плазме иметь два зонда с известным расстоянием между ними l , тогда п п, где п, п – потенциалы плазмы вместе установки первого и второго зондов. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе по изучению параметров плазмы низкого давления в разряде с накаленным катодом в парах ртути. Изучить схему экспериментальной установки (рис. 8.2), состоящей из блока накала катода, блока разрядного напряжения, блока управления потенциалом зонда. Ознакомиться с расположением органов управления. 2. Прогреть катод в течение 5 мин. Ток накала при этом поддерживать постоянным. Включить анодную цепь. Установить заданное значение разрядного тока. (При выключении схемы сначала снимается анодное напряжение, а потом выключается цепь накала) 3. Снять вольт-амперные характеристики цилиндрических зондов, изменяя потенциал зонда в пределах от –30 до 0 В при нескольких значениях разрядного тока, указанных преподавателем. Диаметр зондов 1 мм, высота рабочей части 10 мм, расстояние между зондами 30 мм. Для регистрации тока вцепи зонда используется несколько милли- и микроамперметров с разными з U з U н I з1 I з2 I з3 Рис. 8.2. Схема экспериментальной установки пределами измерений, так как при снятии зондовых характеристик ток изменяется на несколько порядков и, кроме того, меняет направление своего движения. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Схема экспериментальной установки. 3. Таблицы экспериментальных данных. 4. Построенные зависимости из з з. Рассчитанные параметры плазмы потенциал плазмы вместе нахождения зондов, температура электронного газа, концентрация заряженных частиц, продольная напряженность поля в положительном столбе. Расчеты выполняются в системе СИ. 6. Выводы по результатам исследований. Лабораторная работа № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА Цели работы ознакомление с основными формами тлеющего разряда и исследование его характеристик. 43 44 9.1. Основные сведения Тлеющий разряд – это самостоятельный разряд в газе с холодным катодом. Эмиссия электронов в этом разряде возникает в результате бомбардировки катода положительными ионами. Такой механизм эмиссии относительно неэффективен, поэтому для тлеющего разряда характерны небольшая плотность тока (2…10 мА/см 2 ) и большое катодное падение напряжения порядка В) для катодов из чистых металлов. Основные процессы, обеспечивающие самостоятельность тлеющего разряда, происходят в катодных частях разряда и на катоде. Положительный столб представляет собой среду, через которую протекает анодный ток. Если приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. При определенном расстоянии между электродами, которое называется критическим, положительный столб исчезает. В катодных частях разряда преобладает направленное движение электронов и положительных ионов, тогда как положительный столб представляет собой низкотемпературную газоразрядную плазму, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В приборах тлеющего разряда используется, как правило, короткий разряд, когда расстояние между электродами порядка критического. В этом случае источником излучения является свечение, возникающее в катодном падении напряжения. Спектр излучения зависит от состава наполняющего газа. Обычно используется неон и смеси на его основе, дающие оранжево- красный цвет свечения. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда представлена на рис. 9.1. На этой характеристике можно выделить два характерных участка. Участок 1 с постоянным значением напряжения разряда, который наблюдается притоках, не превышающих некоторого значения. Притоках вышеуказанного наблюдается рост напряжения на разряде при возрастании разрядного тока (участок 2). Разряд на первом участке получил название нормального тлеющего разряда. Для него справедлив закон Геля, который гласит, что разрядное напряжение и плотность катодного тока не зависят от разрядного тока. При этом площадь катода, участвующая в разряде, меньше площади его поверхности и пропорциональна разрядному току. С физической точки зрения справедливость закона Геля обусловлена тем, что при указанных условиях протекание разрядного тока требует наименьших затрат энергии. Если сила тока такова, что вся поверхность катода покрыта свечением, то с ростом тока его плотность и разрядное падение напряжения возрастают. Такой разряд называют аномальным тлеющим разрядом. Тлеющий разряд – слаботочный разряд. Притоках порядка 1 A появляется тенденция к его переходу в дуговой разряд. В связи с этим приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах до 0,1 A. В аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и усиливается распыление материала катода под дейст- виием ионной бомбардировки. Слабоаномальный тлеющий разряд используется в различных индикаторах, в газоразрядных индикаторных панелях ив плазменных телевизионных экранах. Нормальный тлеющий разряд используется в параметрических стабилизаторах напряжения. Аномальный тлеющий разряд в настоящее время находит широкое применение в электронном производстве для очистки и траления деталей. На рис. 9.2 приведена упрощенная электрическая схема, включающая в себя исследуемый прибор тлеющего разряда П, балластное сопротивление R , амперметр для измерения анодного тока б а, также вольтметры, фиксирующие входное напряжение U вх и напряжение на исследуемом приборе U а R б I а U вх U а П U a I a 1 Рис. 9.1. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда Рис. 9.2. Схема включения стабилитрона в электрическую цепь Переключателем (на схеме не показан) можно включать в схему стенда различные по конструкции приборы. Ток через прибор можно регулировать с помощью балластного сопротивления б, а также изменяя с помощью потенциометра значение U вх . В лабораторной работе исследуются экспериментальная лампа Л, имеющая плоскую конструкцию с рамочным анодом и неоновым наполнением линейный индикатор ИН-9, имеющий катод в виде тонкой нити и цилиндрический анод с прорезями для наблюдения свечения, наполнение – смесь неона с аргоном различные типы стабилитронов тлеющего разряда типа СГ3С, СГ4С. 9.2. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой экспериментальной установки. Установить движки реостатов и выключатели сопротивлений в положения, соответствующие минимальным значениям токов и напряжений на схеме. Включить питание схемы. 2. Снять вольт-амперную характеристику ) ( a п лампы тлеющего разряда с плоским катодом Л, одновременно замеряя площадь катода, занятую разрядом. Характеристику снимать до токов, в 1.2…1.5 раза превышающих ток полного покрытия катода. 3. Снять вольт-амперную характеристику ) ( a п линейного индикатора напряжения тлеющего разряда ИН-9, одновременно замеряя длину светящегося столба. Характеристику снимать до токов, в 1.2…1.5 раза превышающих ток, соответствующий максимальной длине столба. 4. Снять ВАХ нескольких стабилитронов (по указанию преподавателя. 9.3. Содержание отчета 1. Цель работы. Схема лабораторной установки. 2. Вольт-амперная характеристика лампы тлеющего разряда Л. Зависимость плотности тока на катоде от разрядного тока. 3. Вольт-амперная характеристика индикатора ИН-9. Зависимость длины светящегося столба от разрядного тока. 4. Вольт-амперная характеристика стабилитрона. 5. Выводы по результатам исследований. 46 Список рекомендуемой литературы Абрамов И. С, Барченко ВТ. Лабораторный практикум по дисциплине Плазменные приборы и устройства / ГЭТУ. СПб., 1995. Барченко ВТ, Быстров Ю. А, Колгин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве / Под ред. Ю. А. Быстрова. СПб.: Энерго- атомиздат, 2001. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. М Наука, 1971. Каганов ИЛ. Ионные приборы. М Энергия, 1972. Капцов НА. Электрические явления в газах и вакууме. МЛ Гостех- издат, 1950. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М Атомиздат, 1969. Левитский СМ. Сборник задачи расчетов по физической электронике. Киев Изд-во Киев. унта, 1964. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М Наука, 1987. Соболев В. Д. Физические основы электронной техники Учеб. для вузов. М Высш. шк, 1979. Электрический ток в газе. Установившийся ток / Под ред. Л. А. Сена и В. Е. Голанта. М Наука, 1971. Содержание Введение. 3 Лабораторная работа № 1. Расчет скорости дрейфа заряженных частиц в газе под действием внешнего электрического поля Лабораторная работа № 2. Исследование методик расчета сечения ионизации атомов при соударении электронов с атомом. 9 Лабораторная работа № 3. Исследование влияния функции распределения электронов по энергиям на среднее сечение ионизации атомов Лабораторная работа № 4. Расчет напряжения возникновения газового разряда (кривые Пашена)……………………………………... 16 Лабораторная работа № 5. Исследование функции распределения электронов по энергиям в газовом разряде. 22 Лабораторная работа № 6. Исследование направленного движения заряженных частиц в газе под действием электрического поля Лабораторная работа № Исследование газоразрядной индикаторной панели. 33 Лабораторная работа № Исследование газоразрядной плазмы методом зондов. 37 Лабораторная работа № 9. Исследование тлеющего разряда. 43 Список рекомендуемой литературы. 47 |