Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКОВО- ПЛАЗМЕННЫХ СВЧ-ПРИБОРАХ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКОВО- ПЛАЗМЕННЫХ СВЧ-ПРИБОРАХ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКОВО- ПЛАЗМЕННЫХ СВЧ-ПРИБОРАХ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: пучково-плазменные СВЧ-приборы. Сущность изобретения: способ включает определение плазменного тока на боковую поверхность прибора, измерение давления газа в приборе и определения концентрации плазмы по соотношению, приведенному в описании. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2027327
Класс(ы) патента: H05H1/00
Номер заявки: 4913532/25
Дата подачи заявки: 25.02.1991
Дата публикации: 20.01.1995
Заявитель(и): Московский радиотехнический институт РАН
Автор(ы): Лисицын А.И.
Патентообладатель(и): Лисицын Анатолий Иванович
Описание изобретения: Изобретение относится к электрофизике и может применяться для создания пучково-плазменных СВЧ-приборов.
Известен способ определения концентрации плазмы, основанный на измерении плазменного тока с помощью ленгмюровского зонда [1]. Недостатком этого способа является низкая точность определения концентрации плазмы в пучково-плазменных приборах. Это связано с тем, что зонд нельзя размещать в области канала замедляющей структуры, где проходит пучок, создающий плазму. Зонд можно размещать только в стороне от канала пучка, где концентрация плазмы спадает и сильно отличается от концентрации в самом канале.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения концентрации плазмы в пучково-плазменных СВЧ-приборах, основанный на измерении величины тока на коллектор или тока на боковую поверхность СВЧ-прибора [2]. Способ позволяет измерять концентрацию нетермализованной плазмы. Недостатком этого способа является невозможность измерения концентрации термализованной плазмы, так как скорость плазменных электронов в этом случае неизвестна.
Целью изобретения является определение концентрации в условиях термализованной плазмы.
Цель достигается тем, что в способе определения концентрации электронов в пучково-плазменных СВЧ-приборах, включающем определение величины тока Iб на боковую поверхность СВЧ-прибора, дополнительно измеряют давление газа Р в СВЧ-приборе, а концентрацию электронов определяют из соотношения:
ne= A + - A+ A - - A
A = · , Sp= πr2p, no= N где е - заряд электрона;
М - масса иона;
- средняя энергия вторичных электронов;
rp - радиус плазменного канала;
М - число Лошмидта;
Ратм = 760 Торр - атмосферное давление.
Кроме того, цель достигается также тем, что измеряют ток пучка Iв и ток коллектора Iк, а плазменный ток Iб определяют как разность
Iб = Iв - Iк.
На фиг. 1 приведена зависимость тока на коллектор Iк от величины запирающего потенциала коллектора Uк; на фиг.2 показана зависимость тока на боковую поверхность Iб прибора от величины Uк.
Сущность предложенного способа состоит в следующем.
Пучок ускоренных электронов ионизует газ. Плазменные вторичные электроны (нетермализованные) имеют энергетический спектр от нуля до энергии пучка, но основное их количество составляют низкоэнергетические электроны. Например, при ионизации водорода пучковыми электронами с энергией εв = 20-50 кэВ основная масса вторичных электронов имеет энергию εв< 100 эВ, а средняя энергия вторичных (нетермализованных) электронов составляет 20 эВ. Ионы нетермализованной плазмы имеют исходную тепловую энергию, определяемую комнатной температурой газа, равную εi ≈ 0,025 эВ. Плазма в пучково-плазменных СВЧ-приборах находится в продольном магнитном поле.
При работе пучково-плазменного СВЧ-прибора без запирающего потенциала на коллекторе вдоль магнитных силовых линий на коллектор выходят в основном высокоскоростные плазменные электроны, а низкоскоростные плазменные ионы своим кулоновским полем выталкиваются поперек магнитного поля на боковую поверхность канала.
Если работа пучково-плазменного СВЧ-прибора осуществляется с большим отрицательным потенциалом коллектора ( ≈ -100 В), то картина разлета плазмы изменяется на противоположную, а именно на коллектор проходят только ионы, а электроны плазмы отражаются от него, оставаясь в канале. Требование квазинейтральности плазмы приводит к тому, что избыток электронов в канале выталкивается кулоновскими силами на структуру, то есть происходит трехмерный разлет плазмы с разделением зарядов. Ток ионов уменьшает сигнал электронов пучка. Измеряя ток пучка Iв и ток коллектора Iк и определяя ток ионов на коллектор а разность Iв-Iк или измеряя равный ему ток электронов на боковую поверхность Iб, можно определить концентрацию плазмы nе в канале как
ne= = (1) где Sр - сечение плазменного шнура;
vzi - скорость ухода ионов на коллектор.
Скорость vzi не известна и определяется конечным состоянием плазмы при наличии отрицательного потенциала на коллекторе. В этом случае электроны плазмы находятся в канале длительное время, многократно отражаясь от отрицательного потенциала коллектора и высокого ускоряющего потенциала катода пушки. В результате длительного пребывания в канале вторичные электроны плазмы успевают термализоваться, то есть отдают свою энергию ионам плазмы и нейтральным молекулам газа, нагревая их, а также переводя их в возбужденное состояние. В результате термализации плазма становится равновесной, с одинаковыми энергиями электронов, ионов и нейтральных молекул и ионы уходят на коллектор со скоростью vzi, определяемой их конечной тепловой энергией εi. Для этого случая можно записать уравнение теплового баланса
ne≈ ε*knii(ne+ni+no) (2) где ε* - энергия, потраченная на возбуждение ионов;
k - коэффициент, зависящий от сечения возбуждения;
ni,no - концентрация ионов и нейтральных молекул газа.
Членом ε* kni можно пренебречь, так как ε* , а k<<1, поскольку сечение возбуждения много меньше сечения ионизации. Тогда будем иметь
ne≈ εi(2ne+no) (3) откуда
εi= (4)
В результате ионы уходят на коллектор со скоростью vzi, определяемой их конечной тепловой энергией εi.
В этом случае концентрацию плазмы можно определить по соотношению
ne= = (5) где М - масса иона.
Величина 2Sp учитывает вылет ионов из структуры в обе стороны, на коллектор и на катод.
Подставляя (4) в (5), получим
ne= (6) откуда получаем уравнение для определения ne:
n3e - · 2ne- · no= 0 (7)
Это кубическое уравнение относительно ne типа
y3 + 3ay + 2b = 0 (8) где
a = - A, b = - A·no, A = · , no= N
N = 2,69 ˙ 1019 см-3 - число Лошмидта;
Ратм = 760 Торр - атмосферное давление;
Р - давление газа в приборе.
Решения этого уравнения имеют вид:
y1= u+v, y2= γ1u+γ2v, y3= γ2u+γ1v (9) где
u = , v = , γ1,2= - ± i
Интерес представляет первое действительное решение у1. Тогда окончательное выражение для определения концентрации плазмы будет иметь вид
ne= A + - A+ A + - A (10)
Следовательно, для определения концентрации плазмы необходимо измерить давление нейтрального газа Р в приборе, измерить ток с боковой поверхности Iб или измерить ток пучка Iв (ток пушки) и ток с коллектора Iк, получить разность этих токов Iв - Iк и по соотношению (10) рассчитать значение концентрации плазмы.
При малой концентрации плазмы ne < < 1012 см-3, когда изменение тока коллектора мало, его трудно измерить на фоне большого тока пучка. В этом случае для определения ne удобнее использовать ток Iб, поскольку на структуре отсутствует большой ток пучка и соответственно Iб можно измерить более точно. При ne > 1012 см-3, когда ток ионов становится сравнимым с током пучка, для определения ne можно использовать токи Iв - Iк.
Предложенный способ применим не только при больших отрицательных потенциалах коллектора. Он может использоваться и при малых Uк в несколько вольт, но при больших давлениях газа Р > 10-3 Торр, когда концентрация плазмы становится меньше времени пролета плазменными электронами длины прибора, плазма успевает термализоваться и энергия электронов уменьшается до уровня 1-2 эВ.
Отрицательный потенциал коллектора будет ускорять ионы плазмы, то есть изменять их скорость ухода на коллектор, что, на первый взгляд, должно вносить большую ошибку при измерении концентрации. Однако отрицательный потенциал приложен к узкому зазору ( ≈0,5 см) между коллектором и концом замедляющей структуры, а в канал он не проникает и только на этом зазоре ионы получают ускорение. Ток ионов на коллектор будет определяться не скоростью ионов на этом участке, а скоростью подхода ионов из канала к этому участку, которая определяется их температурой. Поэтому потенциал коллектора не будет вносить существенной ошибки в результаты измерений ne.
Вторично-эмиссионные электроны, выбиваемые из поверхности коллектора, также не вносят существенной ошибки в результаты измерений, так как при энергии пучковых электронов в несколько десятков киловольт коэффициент вторичной эмиссии близок к нулю.
Приведем пример конкретной реализации способа.
Определим концентрацию плазмы на конкретном примере из экспериментальных данных. В пучково-плазменном СВЧ-приборе измерялись величины Iб и Iк в зависимости от величины коллекторного потенциала Uк(фиг.1,2). Измерения проводились при следующих параметрах: Iв = 2А, Sр≈ 1 см2, давление газа (водорода) в приборе Р = (3-6) ˙ 10-4 Торр.
При Uк = 0 ток на боковую поверхность определяется только потерями пучка при его транспортировке через прибор, которые составляют ≈1% от тока пучка. Концентрация плазмы мала и незаметна для измерений.
При Uк = 100 В плазменные электроны отсекаются от коллектора и концентрация плазмы в канале существенно увеличивается. Ток на боковую поверхность становится равным Iб = 0,2 А (при Р = 3 ˙ 10-4 Торр). Определим концентрацию плазмы в этом случае.
Ввиду того, что в b2 >> a3, второе слагаемое в (10) будет равно нулю и выражение (10) для ne можно упростить:
ne · · (11)
В результате получаем концентрацию плазмы, равную
ne=
≈ 6·1011см-3
Этот результат совпадает с точностью до 10% с результатами измерения концентрации плазмы другими способами, например по пучково-плазменному СВЧ-взаимодействию.
Таким образом, предложенный способ позволяет определять концентрацию термализованной плазмы.
Формула изобретения: 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ СВЧ-ПРИБОРАХ, включающий определение величины тока Iб на боковую поверхность СВЧ-прибора и определение концентрации электронов nе, отличающийся тем, что, с целью определения концентрации в условиях термолизованной плазмы, дополнительно измеряют давление газа P в СВЧ-приборе, а концентрацию электронов определяют из соотношений


где e - заряд электрона;
M - масса иона;
- средняя энергия вторичных электронов;
rр - радиус плазменного канала;
N - число Лошмидта;
Pатм = 760 Торр - атмосферное давление.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют ток Iв пучка и ток Iк коллектора, а плазменный ток Iб определяют как разность
Iб = Iв - Iк.