Файл: Малкин, О. А. Импульсный ток и релаксация в газе.pdf

ідей медной трубке с внешним диаметром 3 мм. Таким об* разом, отношение наибольшего диаметра зонда к диаметру разрядной трубки не превышало ЧІ0, что по данным работ [56, 58] дает максимальную погрешность из-за возмущений плазмы корпусом зонда менее 10%. Согласно проведенной выше оценке будут отсутствовать и возмущения измеряемой функции распределения электронов. Собирающий зонд мог передвигаться как вдоль осп разрядной трубки, так и по ее сечению. Напряжение на зонд подавали от источника пита­ ния типа УИП-1; смещение нуля зондового тока производи­ ли при помощи аккумуляторной батареи. Таким образом,

Рис. 1.9. Осциллограммы напряжения высокочастот­ ного поля (а) и зопдопого

положительную п отрицательную ветви зондовой характе­ ристики можно было получить без переключения полярно­ сти измерительной аппаратуры. Всю характеристику полу­ чали за время около ЗОсек. Вольт-ампериые характеристики зонда регистрировали двухкоординатным самописцем типа ПДС-021. Для подавления высокочастотных составляющих зондового тока применяли емкостно-индуктивный фильтр. Как видно из осциллограммы зондового тока (рис. 1.9), зондовый ток не содержит высокочастотных составляющих. Для снижения постоянной времени зондовой цепи измери­ тельное сопротивление R (см. рис. 1.8) было низкоомным — не более 7 ом, а полное внутреннее сопротивление источни­ ка питания удалось резко снизить при помощи емкости С2. В результате постоянная времени зондовой цепи сос­ тавляла 0,2—0,3 мксек, что было установлено специальными измерениями при помощи генератора прямоугольных им­ пульсов Г5-15 с крутизной фронта не хуже 0,1 мксек. В целях устранения влияния поверхностных явлений на ка-

42

чество зондовых характеристик [54] перед снятием харак­ теристик собирающий зонд прокаливали поочередно ион­ ным и электронным токами.

Важным вопросом является изучение влияния искаже­ ний функции распределения электронов по энергиям, вызываемых спецификой зондовых методов диагностики плазмы. Это разобрано в целом ряде теоретических и экс­ периментальных работ [59—69]. Искажения функции рас­ пределения электронов в области малых энергий происхо­ дят из-за конечной скорости диффузии медленных электро­ нов к зонду; сток электронов на зонд из плазмы также в принципе искажает функцию распределения, в особен­ ности, при малых энергиях электронов [59]. Количествен­ ное рассмотрение этих явлений проведено в недавней работе [60]; получена поправка к измеренной функции распределе­ ния электронов, устраняющая максимум близ потенциала пространства. В результате функция распределения элект­ ронов соответствует свойствам плазмы, не возмущенной влиянием зонда. Влияние других искажений из-за колеба­ ний потенциала плазмы, шумов и других помех рассмотре­ но в работах [61—69]. Было обнаружено, что колебания потенциала плазмы приводят к завышению концентрации электронов, измеренной по излому вольт-амперной харак­ теристики [68]. Важным итогом являются обнаруженные в работе [64] искажения второй производной зондового тока, измеренной методом наложения малой переменной составляющей, из-за колебаний потенциала плазмы. В то же время последние не влияют на достоверность измерений, самой вольт-амперной характеристики [65, 69].

Для определения коэффициентов скорости неупругих элементарных процессов с большими пороговыми энергия­ ми (c?u ^ f) необходимо достоверное измерение высокоэнер­ гетической части функции распределения электронов. Обыч­ но трудности подобных измерений заключаются в появлении флуктуаций, шумов и колебаний потенциала плазмы при больших отрицательных потенциалах зонда, когда зондо­ вый ток мал, и корректном учете вклада ионного тока в общий ток зонда. Выше отмечалось, что влияние флук­ туаций, шумов и колебаний потенциала мало сказывается на достоверность получения самой вольт-амперной харак­ теристики. Однако следует учитывать возможные искаже­ ния второй производной зондового тока при больших отри­ цательных потенциалах. В настоящей работе непосредствен­ но получали вольт-амперные характеристики зонда, поэ­

43

тому целесообразно рассмотреть лишь влияние ионного

тока.

Оценку влияния вклада ионного тока на измерения функции распределения электронов при больших отрица­ тельных потенциалах зонда проведем по модернизирован­ ной теории Ленгмюра [70, 71], учитывающей зависимость толщины призондового слоя от потенциала зонда, а также эффект ускорения ионов в предслое, рассмотренный Бомом. Так как выводы теории существенно зависят от относитель­ ной толщины слоя (г0 — г 3)/г3, где г 3 — радиус зонда, сначала определим толщину слоя (/-с — г 3). При потен­ циале плазмы электронный ток на зонд равен току насы­ щения Іе Используем формулу Ленгмюра для плотности

тока, ограниченного объемным зарядом:

где 1] = I е0Ѵ3 \!kTe3фф — безразмерный потенциал зонда. Подставляя выражение для іе (приближенно полагаем

функцию распределения электронов максвелловской, что применимо для участка зондовой характеристики, где электронный ток равен току насыщения) в формулу (1.6), найдем

Подставив в выражение (1.8) параметры исследуемой плаз­ мы для р = 0,1 mopp (см. гл. 3);' пе — 4,5-ІО12 см~3; /:Те8фф = 5,66 эв и величину потенциала зонда, соответ­ ствующую малым амплитудам функции распределения

44

т. е. принять равным току насыщения по Бому, но с учетом зависимости радиуса слоя от потенциала зонда. Здесь / — длина собирающей части зонда. Преобразуем формулу (1.8) и представим ее в следующем виде (что допустимо для г) < 7):

Как известно [72], электронный ток на зонд при немаксвел­ ловской функции распределения электронов выражается формулой

Легко видеть, что в общем случае от потенциала зонда за­ висят как радиус собирающего слоя, так и интеграл в пра­ вой части формулы (І.П ). Рассчитаем отношение вторых производных электронного тока, определенных при двух предположениях:

V

Подставив параметры плазмы высокочастотного разряда, измеренные в настоящей работе при р = 0,1 mopp, пе =

= 4,5 • 1012 елг3-, ІіТеафф = 5,66 эв и г3 = 1,5 • ІО-2 см,

получим выражение (1.12) в следующем виде:

/;<а)//;<б) = - 4 ц з/2(9+ 4 г1>/2) х

f( e ^ V ) ( k T e афф)3

Хсо

f ('S—V) f (CS) d'S

45

татьтолщину слоя не зависящей от потенциала зонда. Вычислим теперь интересующий нас вклад ионного тока во вторую производную Ц для больших отрицательных потенциалов зонда. При расчете /" учтем зависимость тол­ щины собирающего слоя от Ѵ3. Тогда

ную величину вклада ионного тока во вторую производ­ ную не более 0,0596. Следовательно, при измерениях функ­

пренебречь влиянием ионного тока.

Для исследования кинетики изменения функции рас­ пределения электронов и концентрации электронов при протекании релаксационных процессов на фронтах импуль­ са высокочастотного поля необходимо получать вольтамперные характеристики зонда за время, много меньшее характерного времени самого быстрого из изучаемых ре­ лаксационных процессов. Оценка времен релаксации иони­ зации и возбуждения, а также функции распределения электронов, проведенная выше, показывает, что период времени, за который необходимо получить всю вольтамперную характеристику, должен составлять не более 1 мксек. В соответствии с этой задачей была разработана импульсная методика получения зондовых характеристик, схема которой изображена на рис. 1.4. Напряжение, сни­ маемое с сопротивления R в цепи зонда, поступало к элек­ тронному коммутационному устройству, которое регистри­ ровало зондовый ток только в течение 1 мксек в заданный момент времени от начала подачи импульса высокочастотно­ го электрического поля. Далее при помощи накопительной схемы производилось преобразование полученных импуль­ сов в постоянное напряжение, пропорциональное зондовому току в этот момент времени. Вольт-амперная характеристи-

46'