1703

Исследование газоразрядной плазмы зондовым методом

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы - ознакомиться с зондовым методом исследования плазмы и приобрести навыки экспериментального определения основных параметров плазмы в газоразрядном приборе: потенциала плазмы, температуры электронного газа, концентраций заряженных частиц.

Русский

2013-01-06

54.25 KB

37 чел.

Федеральное агентство по образованию

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Промышленная электроника»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТРОНОЙ РАБОТЕ №2

по  теме «Исследование газоразрядной плазмы зондовым методом»

                                                          

 

                                              Тольятти 2012

  1.  Цель работы.

Цель работы - ознакомиться с зондовым методом исследования плазмы и приобрести навыки экспериментального определения основных параметров плазмы в газоразрядном приборе: потенциала плазмы, температуры электронного газа, концентраций заряженных частиц, скачка потенциала окол о стенки.

2.Принципиальная схема и описание лабораторной установки.

Объектом исследования является тиратрон VL типа МТХ-90 заполненный неоном. В качестве зонда используется его сетка, имеющая цилиндрическую формую. Последнее обстоятельство сказывается на форме участка аb зондовой характеристики, который имеет не горизонтальный, как у плоского зонда, а наклонный характер.

Питание анодной цепи тиратрона осуществляется от источника Ea. Анодный ток тиратрона задаётся резистором R2 и переменным резистором R1 и измеряется миллиамперметром РА1, подключаемым к гнёздам XS1 и XS2.

Отрицательный потенциал относительно анода подаётся на зонд от источника Ез, регулируется переменным резистором R3 и измеряется вольтметром PV, который подключается к гнёздам XS7 и XS8 стенда. Положительный (электронный) ток зонда, направленный во внешней цепи тиратрона от анода к сетке, измеряется миллиамперметром РА2, подключаемым к гнёздам XS3 и XS4 стенда. Отрицательный (ионный) ток зонда измеряется миллиамперметром РА3, подключаемым к гнёздам XS5 и XS6 стенда. Отключение РА2 и подключение РА3 осуществляется переключателем SA при нулевом значении тока зонда. Для подключения миллиамперметра РА2 переключатель SA должен находиться в правом положении, а для подключения миллиамперметра РА3 – в левом.

Измерительные приборы смонтированы в специальном блоке, внешний вид лицевой панели которого приведён на рис.5. Миллиамперметры РА1 и РА2 объединены в одном корпусе, причём миллиамперметру РА1 соответствует шкала 1, а миллиамперметру РА2 – шкала 2. Входными гнёздами РА1 являются XS1 и XS2 блока, а входными гнёздами РА2 – XS3 и XS4. При подключении миллиамперметров РА1…РА2 к лабораторному стенду необходимо обратить внимание на соответствие полярности гнёзд, указанной на лицевой панели блока, направлению тока, протекающего через каждый прибор.


  
                                                                                             


                                     

Внешний вид лицевой панели блока измерительных приборов.


Питание лабораторного стенда и блока измерительных приборов осуществляется однофазным переменным напряжением 220 В. 50 Гц. Для подключения стенда к сети на его передней панели установлен тумблер S, о появлении напряжения свидетельствует загорание сигнальной лампы HL Блок измерительных приборов подключается к сети через розетку на боковой панели стенда; включение блока производится тумблером S "Сеть" .

3.Программа работы.

3.1.Ознакомиться с зондовым методом исследования плазмы, схемой измерений, назначением переключателей и регулирующих органов.

3.2.Снять зондовые характеристики при двух различных значениях анодного тока тиратрона.

3.3.Обработкой полученных характеристик определить потенциал Uп плазмы в точке расположения зонда, плотности je0 и ji0 беспорядочных электронного и ионного токов, скачок потенциала US около изолированной стенки, температуру Те электронного газа и концентрацию ne электронов в плазме.

4.Ход работы.

4.1.Ход работы к пункту 3.1.

Собрали схему измерений, подключив измерительные приборы. Перед

включением лабораторной установки ручки переменных резисторов R1 и R3 повернули в крайнее левое положение, переключателем SA подключили миллиамперметр РА2. Подали напряжение на стенд и блок измерительных приборов.

4.2.Ход работы к пункту 3.2.

Вращением рукоятки резистора R1 добились зажигания тиратрона, после чего установили анодный ток Ia= 2 мА. Изменяя потенциал зонда резистором R3 от нуля до максимального значения, сняли показания миллиамперметра РА2 (при положительном токе зонда) или микроамперметра РА3 (при отрицательном токе зонда). Для более точного определения точек с и g зондовой характеристики уменьшили интервалы варьирования потенциала зонда в районе указанных точек. Учесть, что переход через точку с сопровождается резким изменением тока зонда. Сняли также зондовую характеристику при анодном токе Ia= 4 мА. Результаты измерений занесли в табл.1

Таблица 4.1.

Зондовая характеристика. Напряжение Uз зонда, В.

Напряжение,U 

Ток анода, мА

2

4

-0,6

2

-17,9

4

-19

2

-19,2

3,8

-20,7

1,8

-21,6

3,75

-22,2

1,56

-22,8

3,6

-23

0,8

-23,7

1,27

-24

0,6

-24,3

0,4

-24,6

0,6

-25

0,25

-25,2

0,15

-25,6

-0,05

-26,3

0,13

-26,6

-0,1

-27

-0,05

-27,9

-0,15

-28,6

-0,1

-29,3

-0,2

-29,7

-0,2

-30,3

-0,25

-32,4

-0,15

-32,9

-0,2

-0,3

-35

-0,35

-37,5

-0,25

-37,6

-0,4

4.3Ход работы к пункту 3.3

Для тока анода Ia = 2 мА построили зондовую характеристику и определили на ней положение характерных точек a, b, c, g. Определили потенциал плазмы, равный потенциалу зонда в точке с (рис 4.1).


Плотность беспорядочного ионного тока определяется по формуле

=2.5/80*10-6=0.03*10-6                                                          (4.1)

где Sз – поверхность зонда (для тиратрона МТХ-90  Sз = 8010-6м2)

Величину и плотность беспорядочного электронного тока зонда можно найти по формулам

Ie0 = Iзa + |Ii0|=2*10-3+2.25*10-3=4.25*10-3         (4.2)

=4.25*10-3/80*10^-6=0.05*103         (4.3)

где Iзa – ток зонда при потенциале зонда, равном потенциалу плазмы (т.е. в точке с).

Для определения температуры Тс электронного газа нужно построили зависимость lnIe = f(Uзп) (рис4.2) . Для этого нужно вначале рассчитать величины Uзп, Ie и lnIe , воспользовавшись формулами:

Uзп = UзUп                 (4.5)

Uзп1=-20.7-(-19)= -1.7

Uзп2=-22.2-(-19)= -3.2

Uзп3= -23.7-(-19)= -4.7

Uзп4= -24-(-19)= -5

Uзп5= -24.3-(-19)=-5.3

и

Ie = Iз + |Ij0|                            (4.6)

Ie1=2*10-3+2.25*10-3=4.25*10-3

Ie2=1.8*10-3+2.25*10-3=4.05*10-3

Ie3=1.27*10-3+2.25*10-3=3.52*10-3

Ie4=0.6*10-3+2.25*10-3=2.85*10-3

Ie5=0.4*10-3+2.25*10-3=2.65*10-3

lnIe1=1.44*10-3

lnIe2=1.39*10-3

lnIe3=1.25*10-3

lnIe4=1.04*10-3

lnIe5=0.97*10-3

=0.8/2=0.4                                                                    (4.7)

1.6*10-19/ 1.38*10-23*0.4=1.16*104                                        (4.8)         

=(4.03*1015*0.05*103)/(1.16*103)1/2=0.20    (4.9)

Проделали эти расчёты только для участка cg зондовой характеристики. После окончания построения графика зависимости lnIe = f(Uзп) для определения величины  Те воспользовались формулами (4.7) и (4.8).

Для определения концентрации электронов в плазме воспользовались формулой (4.9).

Точка g зондовой характеристики отличается тем, что в ней электронный ток зонда равен ионному току и суммарный ток равен нулю, что характерно для граничащей с плазмой диэлектрической стенки. Поскольку, таким образом, потенциал, соответствующий точке g , есть потенциал, который приняла бы стенка тиратрона в точке расположения зонда, разность потенциалов точек g и с представляет собой скачок потенциала US между плазмой и стенкой.

Вместе с тем величину  US  можно рассчитать по формуле

=8.63B               (4.10)

Все перечисленные выше построения и расчёты проделали также для значения анодного тока Ia = 4 мА. Рассчитанные параметры занесли в табл.4.2.

                                                                                                                      Таблица4.2.

Зависимости Uп, ji0, jе0, Te, ne  и US от анодного тока Ia.

Анодный ток

Ia, мА

Uп, В

ji0, A/м2

jе0, A/м2

Te, K

ne,м-3

US

Из характеристик, В

По уравнению, В

2

-19

0,053*103

4.25*10-3

1.16*104

0.20*1014

9

8.63

4

-18

0.03*10-6

0.11*103

1.16*104

0.41*1014

7.2

22.02

 


5.Вывод.

5.1 Ознакомились с зондовым методом исследования плазмы, схемой измерений, назначением переключателей и регулирующих органов.

Сняли зондовые характеристики при двух различных значениях анодного тока тиратрона.

Обработкой полученных характеристик определили потенциал Uп плазмы в точке расположения зонда, плотности je0 и ji0 беспорядочных электронного и ионного токов, скачок потенциала US около изолированной стенки, температуру Те электронного газа и концентрацию ne электронов в плазме.

6.Список использованной литературы.

6.1.Чернявский Н.И.  «Вакуумная и плазменная электроника» и «Физические основы электронной техники» 2007г.

7.Список контрольных вопросов.

  1.  Что такое газоразрядная плазма, каковы её основные свойства?
  2.  Какие процессы протекают в газоразрядной плазме?
  3.  Каковы основные положения диффузионной теории плазмы среднего давления?
  4.  В чём заключается зондовый метод определения параметров плазмы?
  5.  Как объясняется характер зондовой характеристики?
  6.  Чем объясняется то, что ионный ток на зонд меньше электронного?
  7.  Как зависят параметры плазмы от величины анодного тока?
  8.  Что характеризует температура электронного газа и какова её связь со средней скоростью движения электронов в плазме?
  9.  Как зависит плотность беспорядочного электронного тока на зонд от параметров плазмы (концентрации электронов, температуры электронного газа)?
  10.  Что называется максвелловским распределением электронов по скоростям?
  11.  Что может служить доказательством максвелловского распределения по скоростям электронов газоразрядной плазмы?

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13616. Человек, властвуя над другими, утрачивает собственную свободу 17.91 KB
  Человек властвуя над другими утрачивает собственную свободу. Ф. Бэкон В выбранном мною высказывании речь идет о проблеме роли влияния власти на человека который ею обладает. Влияние власти на ее носителя всегда было интересно мыслителям. Особенно их интересовало ...
13617. Закон должен быть строг, а люди снисходительны 16.24 KB
  Закон должен быть строг а люди снисходительны. М. Вовенарг В выбранном мною высказывании автор обращается к проблеме сопоставления норм права и норм морали. Эти социальные регуляторы во все времена имели наибольший вес в обществе именно поэтому многие ученые и ф...
13618. Истинное равенство граждан состоит в том, чтобы все они были одинаково подчинены закону 31.5 KB
  Истинное равенство граждан состоит в том чтобы все они были одинаково подчинены закону Ж. Даламбер Выбранное мною высказывание связано с сущностью равенства людей перед законом и судом. Без обеспечения равенства в этой сфере трудно говорить об обеспечении равенств
13619. Наказание не может быть вечным, но вина пребывает вовек 17.06 KB
  Наказание не может быть вечным но вина пребывает вовек. изречение из римского права Выбранное мною высказывание посвящено проблеме правового и морального наказания за правонарушение. С тех самых пор как только человек впервые преступил негласную норму морали бы
13620. Сократ. Я считаю обязательным для каждого беспрекословно и неуклонно повиноваться законам 15.85 KB
  Я считаю обязательным для каждого беспрекословно и неуклонно повиноваться законам. Сократ В выбранном мною высказывании автор затрагивает проблему сущности закона. Эта проблема актуальна во все времена так как закон регулирует общественную жизнь делая ее более
13621. Истинное равенство граждан состоит в том, чтобы все они одинаково были подчинены закону 16.37 KB
  Истинное равенство граждан состоит в том чтобы все они одинаково были подчинены закону. Ж. ДАламбер Выбранное мною высказывание посвящено проблеме верховенства права как основного критерия правового государства. Эта проблема в наше время актуальна как никогда.
13622. Чосер Дж. Кто для других законы составляет, пусть те законы первым соблюдает 17.03 KB
  Кто для других законы составляет пусть те законы первым соблюдает. Дж. Чосер В выбранном мною высказывании автор высказывания английский поэт Джеффри Чосер обращается к проблеме верховенства права и беспрекословного его исполнения. Эта проблема актуальна в любо
13623. Истинное равенство граждан состоит в том, чтобы они были одинаково подчинены законам 13.94 KB
  Истинное равенство граждан состоит в том чтобы они были одинаково подчинены законам Ж. Даламбер Автор данного высказывания затрагивает проблему равенства граждан перед законом. Данная проблема является актуальной во всем мире так как принцип равенства в соотве
13624. Архитектура - тоже летопись мира: она говорит тогда, когда уже молчат и песни, и предания, и когда уже ничто не говорит о погибшем народе 14.89 KB
  Архитектура тоже летопись мира: она говорит тогда когда уже молчат и песни и предания и когда уже ничто не говорит о погибшем народе Н. В. Гоголь Автор данного высказывания хотел сказать что письменные источники могут сгореть песни умереть вместе с народом а со