Плаваючий потенціал електростатичного зонду в плазмовому гетерогенному середовищi (стр. 1 из 5)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. І.І. МЕЧНИКОВА

Фізичний факультет

Кафедра теплофізики

Плаваючий потенціал електростатичного зонду в

плазмовому гетерогенному середовищі

«допустити до захисту» Курсова робота

зав. кафедри теплофізики студента 4-го курсу

професор _______ Калінчак В.В. Захарова Д.Є.

«___» _______ 2003р. Научний керівник

доцент Маренков В.І.

Одеса – 2003

Зміст

Вступ

1. Плазма в сучасних технологіях та її характеристики

1.1 Основні поняття фізики плазми

1.2 Основні напрямки застосування низькотемпературної плазми

1.3 Методи зондових вимірювань

1.4 Конструкція зондів

2. Потенціал електростатичного зонду в плазменному гетерогенному середовищі

3. Розв’язок рівняння для потенціалу для електростатичного зонду в ГПС

4. Комп’ютерний експеримент

Висновок

Література

Вступ.

Значний інтерес щодо досліджень властивостей запиленої плазми [1] спричинюється, з одного боку, широким впровадженням плазмових технологій у виробництво, з іншого – у фундаментальному аспекті – бурхливим розвитком нового напрямку у фізиці: теорії та моделювання гетерогенних плазмових систем [2]. Проблеми експериментальної діагностики [3] та зовнішніх впливів ” (з метою оптимізації характеристик гетерогенних плазмових систем, що використовуються як робоче тіло або середовище у сучасних технологічних пристроях [4]) є безпосередньо спряженими з описом обміну електричним зарядом між гетерогенною плазмовою середою та зовнішніми макроскопічними тілами - електричним зондом, розрядним або керуючим електродом, стінкою реакційної камери і т.і. – та найбільш актуальними для впроваджень, і, в той же час, найменш дослідженими.

Одна з них: заряд та потенціал пасивного зонду – пробного макроскопічного тіла, що контактує та знаходиться у рівновазі із запиленою плазмою – визначає мету та завдання даної роботи.

Великою перевагою зондового методу є простота вимірів, для яких, на відміну від багатьох інших методів, звичайно не потрібно спеціальної складної апаратури. Основний недолік цього методу — збурювання плазми зондом, що приводить до зміни функції розподілу і потенціалу простору в деякій області навколо зонда.

Одне з основних положеньзондовой теорії [6] — допущення про те, що ці збурювання в основному локалізуються поблизу зонда, так що він мало впливає на стан плазми і на режим газового розряду в більшій частині розглянутого об’єму. Така локалізація збурювання можлива в зв'язку з тим, що в досить щільній плазмі зонд оточений шаром заряджених частинок, що екранують його від іншого об’єму. Так, наприклад, негативно заряджений щодо плазми зонд відштовхує електрони і притягає іони, що створюють поблизу його поверхні шар з позитивним об'ємним зарядом, у якому в основному і локалізується майже все електричне поле зонда. Заряджені частинки з навколишньої плазми, потрапляючи в цей шар, а потім на зонд, створюють струм у його ланцюгу, що характеризує параметри плазми. Цей струм тим більше, чим вище щільність заряджених частинок і швидкість їхнього руху в незбуреній плазмі.

Основна задачазондової теорії полягає у тому, щоб знайти зв'язок між струмом зонда і параметрами плазми. Для визначення потоків частинок, що притягаються до зонда, необхідно знати, як розподілений потенціал, а також густину заряджених частинок в збуреній зоні поблизу зонда. Строго вирішити цю задачу важко через її велику складність. Це пояснюється тим, що хід потенціалу і розподіл густини заряджених частинок взаємно зв'язані.

Отже метою даної роботи буде ознайомлення з сучасними зондовими методами вимірювання електрофізичних характеристик гетерогеної плазмової середи, засновуючись на апроксимації Томаса-Фермі для дисперсійного рівняння електронів провідності зонду; розбудування моделі його електричної зарядки в плазмовому середовищі; проведення комп’ютерного експерименту по визначенню залежностей потенціалу усамітненого зонду від визначальних термодинамічних параметрів плазмового середовища.

У подальшому розгляді буде дано статистичне обґрунтування методу визначення рівня Фермі запиленої плазми шляхом порівнювання плаваючих потенціалів електростатичних зондів, що мають однакові розміри, але різні характеристики речовини. На базі даних комп’ютерної симуляції проаналізуємо можливості методу щодо вимірів іонізаційних характеристик запиленій плазми в актуальній для впроваджень області визначальних термодинамічних параметрів. Таким чином, в рамках моделі, заснованій на квазікласичному наближенні для електронного компоненту макроскопічного металевого тіла, контактуючого з плазмою, буде вирішено проблему термоіонізаційної рівноваги: “ зонд – плазма ”.

1. Плазма в сучасних технологіях та її характеристики.

1.1. Основні поняття фізики плазми.

При дуже низьких температурах усі речовини знаходяться у твердому стані. Нагрівання викликає перехід речовини з твердого стану в рідкий. Подальше підвищення температури приводить до перетворення рідини в газ. При досить великих температурах починається іонізація газу за рахунок зіткнень атомів або молекул що швидко рухаються. Речовина переходить у новий стан, називаний плазмою.

Плазмою називається такий стан іонізованого газу, у якому виконується умова квазинейтральности в досить малому об’ємі у порівнянні з характерним об’ємом.

У різкій відмінності властивостей плазми від властивостей нейтральних газів визначальну роль грають два фактори. По-перше, взаємодія частинок плазми між собою характеризується кулонівськими силами притяжіння і відштовхування, що убувають з відстанню набагато повільніше (тобто значно більш дальне діючими), чим сили взаємодії нейтральних частинок. З цієї причини взаємодія частинок у плазмі є, строго кажучи, не парним, а колективним — одночасно взаємодіє одна з одною велике число частинок. По-друге, електричні і магнітні поля сильно діють на плазму, викликаючи появу в ній об'ємних зарядів і струмів і обумовлюючи цілий ряд специфічних властивостей плазми. Ці відмінності дозволяють розглядати плазму як особливий, «четвертий» стан речовини.

У плазмі позитивними зарядами, як правило, виступають позитивні атомні або молекулярні іони, негативні заряди утворяться в основному з вільних електронів з невеликою добавкою негативних іонів. Таким чином, в одиниці об'єму плазми утримуються позитивні заряди

і негативні заряди , де – концентрація вільних `електронів. Звичайно в плазмі . Можна здостатньою точністю припустити, що .

Умова квазинейтральности означає, що сума зарядів у плазмі

. З цієї умови випливає, що незважаючи на наявність великого числа зарядів різного знака, плазма поводиться як незаряджене тіло, тобто має нульовий об'ємний заряд, а звідси випливає, що:

(1.1)

Квазінейтральність дотримується, якщо лінійні розміри області, займаної плазмою, багато більші дебаївського радіусу екранування

; (1.2)

e_eі e_i — заряди електронів і іонів, n_e і n_i— електронна й іонна густини. Отже, лише при виконанні цієї умови можна говорити про плазму як таку. Електричне поле окремої частинки в плазмі екранується частинками протилежного знака, тобто практично зникає на відстанях порядку r_D від частинки. Величина r_D визначає і глибину проникнення зовнішнього електростатичного поля в плазмі. Квазінейтральність може порушуватися поблизу границі плазми, де більш швидкі електрони вилітають по інерції за рахунок теплового руху на довжину ~ r_D.

Під характерним об’ємом треба розуміти таку сферу з мінімальними геометричними розмірами, яку можна вписати в усередину плазменої ділянки. Наприклад, у плазмі циліндричних розмірів – це радіус циліндра, у тороидальній – радіус тора і т.д. У деяких випадках, (наприклад, конічна конфігурації плазми) дуже важко оцінити характерний розмір плазми, тому що плазма може мати великі градієнти

і по різних вимірах. У цьому випадку як характерні розміри вибирають такі мінімальні об’єми плазми, у яких градієнти .

Уведемо плазмовий масштаб виміру часу

, починаючи з якого в плазмі встановлюється квазінейтральність. При квазінейтральність може і не виконуватися. Такі явища спостерігаються при швидкому наростанні (або спаді) числа зарядів у плазмі, тобто в процесах тимчасової (релаксационної) зміни ступеня іонізації плазми

(1.3)

де

– концентрація незаряджених часток у плазмі.