ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Диагностика низкотемпературной плазмы из "Теоретическая и прикладная плазмохимия" В задачу диагностики низкотемпературной плазмы входит определение концентраций частиц и установление формы распределения энергии между этими частицами. Поскольку лабораторная плазма неоднородна, возникает необходимость исследовать также и распределения измеряемых величин в пространстве. В случае нестационарной плазмы к этому добавляется задача наблюдения за изменениями измеряемых величин во времени. В задачи диагностики потоков плазмы входит определение газодинамических харак- теристик этих потоков. [c.27] Для того чтобы перевести некоторое количество вещества, занимающего определенный объем, в состояние плазмы, всегда приходится увеличивать количество энергии, содержащейся в такой системе. При этом все существующие способы увеличения энергии системы характеризуются коэффициентом полезного действия г], меньшим единицы. Под простейшей диагностикой здесь подразумевается определение величины энергии Япл, которую удается ввести данным способом в систему в расчете на единицу массы вещества системы. Наряду с исходным составом эта величина, называемая обычно среднемассовой энтальпией, является одной из важнейших характеристик данной системы ее знание позволяет рассчитать равновесный состав системы. Таким образом, Ядл = Ец1ш), где Е — энергия, поступающая от источника т — масса вещества. Часто удобно пользоваться другой величиной, характеризующей уровень вкладываемой в систему энергии, относя величину полезной энергии (Ет]) к объему системы (например, при описании ВЧ-разряда без протока газа). В том случае, когда вклад энергии производится в поток вещества (плазмы) с расходом т, среднемассовая энтальпия определяется как отношение = (Рт])/т, где Р — мощность генератора плазмы. [c.27] Измерение энтальпии плазмы с помощью калориметрического зонда. Локальное значение энтальпии плазмы можно определить калориметрическим способом. Для этого в плазму вводится калориметрический зонд, через 1Который производят отбор пробы газа из плазмы. Зонд интенсивно принудительно охлаждается. По разности температур охлаждающей зонд жидкости при наличии протока отбираемого газа и в отсутствие такового нетрудно найти энтальпию плазмы в месте отбора пробы, если скорость протока газа при отбора пробы известна [13, 77]. В отношении этого метода следует сделать одно замечание, хотя, по-видимому, стало уже банальностью говорить о том, что идеальные методы диагностики плазмы предполагают минимальное взаимодействие между датчиком и плазмой. Дело в том, что применение зондов, вносящих неизвестные возмущения в плазму с неизвестными и подлежащими определению свойствами, зачастую может только запутать изучаемую проблему. Поэтому следует всегда тщательно оценивать возмущения, которые может внести зонд в исследуемую плазму. [c.27] Ниже очень кратко изложены методы диагностики низкотемпературной плазмы. Краткость изложения, сводящаяся в иных местах просто к перечислению методов, обусловлена не только недостатком места, но и тем, что подробное обсуждение перечисляемых методов привело бы в сущности к повторению материала, очень подробно изложенного в существующих в настоящее время монографиях и сборниках [77, 80—82, 89, 91, 99] по методам диагностики низкотемпературной плазмы. [c.27] Погрешность этого метода относительно невысока при и9пользовании спектральных линий, излучаемых легкими атомами при высоких температурах. Следует также учитывать влияние других возможных механизмов уширения линий — штарковского, резонансного и др. [79, 81]. [c.28] Приемлемая точность метода может быть достигнута при использовании спектральных приборов с высокой разрешающей силой (обратная дисперсия не менее 1—2 к мм). Можно, однако, пользоваться приборами с очень низкой разрешающей способностью, вращательные линии на выходе кото рых сливаются и образуют непрерывное распределение интенсивности [78, 83]. [c.28] Температуру свободных электронов можно измерить с помощью зондов Лэнгмюра [86—88], если электроны имеют максвелловское распределение по энергиям. Поскольку по виду вольт-амперной характеристики зонда не всегда удается установить, существует ли максвелловское распределение электронов в плазме, предпочтительнее производить непосредственное измерение функции распределения [86, 87]. В настоящее время имеется много данных, которые свидетельствуют о том, что в плазме тлеющего и других разрядов при низких давлениях (несколько торр) в молекулярных газах функция распределения свободных электронов по энергии не является максвелловской [62—64]. [c.29] Наконец, для оценки температуры ЛТР-плазмы можно использовать метод Ларенца, основанный на том, что зависимость от температуры коэффициента излучения спектральной линии при постоянном давлении приобре тает максимум при некоторой температуре [78, 79]. [c.30] Концентрации частиц плазмы, находящейся в состоянии ЛТР, могут быть найдены в результате расчета с использованием системы уравнений, включающей уравнение Саха, уравнение Дальтона, условие квазинейтральности и уравнение сохранения начального состава [79, 96]. Для того чтобы убедиться, что в исследуемой плазме условия ЛТР выполняются, следует определить температуры и концентрации различных компонент плазмы. Концентрации частиц на возбужденных уровнях определяются по абсолютным интенсивностям соответствующих спектральных линий (см. уравнение (1.28)). Концентрация частиц в основном состоянии может быть определена либо путем измерения поглощения излучения внешнего источника этими частицами, либо интерферометрическими методами. К сожалению, при заранее неизвестном компонентном составе плазмы последний метод позволяет найти лишь суммарную концентрацию тяжелых частиц в плазме [79]. Применение метода поглощения ограничено чисто техническими трудностями, поскольку большинство резонансных линий атомов и молекул, обычно представляющих интерес для исследователя плазмы, находится в области вакуумного ультрафиолета [78, 80]. [c.30] Методы измерения концентрации свободных электронов в плазме более многочисленны и разнообразны, чем методы измерения концентраций частиц в основном состоянии. [c.31] Для определения концентрации электронов можно воспользоваться результатами измерения ширины или сдвига изолированных спектральных линий, обусловленных квадратичным эффектом Штарка. К сожалению, здесь нельзя дать общей формулы как в случае водородных линий, однако в настоящее время в литературе можно найти расчеты указанных параметров линий для атомов различных элементов [81, 98.. [c.31] Концентрацию электронов можно рассчитать методом последовательных приближений по температуре из выражения (1.25а) для коэффициента непрерывного излучения плазмы. Для этого необходимо измерить абсолютную интенсивность этого излучения. Основной трудностью при проведении таких измерений является учет вклада в интенсивность со стороны непрерывного излучения примесных частиц в плазме [78, 79]. [c.31] Погрешность такой оценки не превышает, по-видимому, одного порядка величины [78, 81]. [c.31] В сочетании с уравнениями Саха, Дальтона и условием квазинейтральности выражение (1.31) позволяет рассчитать температуру и концентрацию электронов. [c.31] Используя в качестве источников зондирующего излучения СВЧ-гене-раторы и оптические излучатели (в частности, лазеры), удается измерить в довольно широком диапазоне (от 10 до см ) [92, 99].Использование лазеров в качестве источников света в интерферометрах упрощает конструкцию последних и позволяет увеличить их чувствительность [91, 92]. [c.32] Для измерения небольших концентраций электронов ( 10 см ) применяют СВЧ-резонаторы [89]. Этот метод позволяет также определить эф- фективную частоту столкновений электронов с тяжелыми частицами. [c.32] С точки зрения плазмохимической технологии часто важно знать также характеристики турбулентности плазменных струй. Поскольку степень ионизации в струях довольно велика, флуктуации температуры струи могут быть изучены путем измерения флуктуаций концентрации электронов. В условиях ЛТР Ne ехр (—EJkT), где Ei — энергия ионизации, Ne — концентрация электронов и Г — температура. Следовательно, сравнительно небольшие флуктуации температуры будут вызывать значительные флуктуации концентрации электронов [101]. Флуктуации концентрации электронов могут быть измерены с помощью охлаждаемых электростатических зондов [101, 102]. [c.33] Исследование флуктуаций скорости струи можно производить с помощью трубки Пито с соответствующим датчиком. Однако при этом возникают значительные трудности при получении равномерной частотной харак теристики датчиков в широком интервале частот (до 10—20 кГц) [13]. По-видимому, наиболее удобным инструментом для измерения флуктуаций скорости в плазменных струях в настоящее время является лазерный доп-леровский измеритель скорости [103]. Этот прибор позволяет измерять среднюю скорость и флуктуации скорости, обеспечивает высокое пространственное разрешение (измерительный объем 1 мм ) и в принципе позволяет исследовать дая е флуктуации вектора скорости. Кроме того, совершенно очевидно его преимущество как прибора для безконтактных измерений. [c.33] В ряде плазмохимических процессов требуется измерять скорость и температуру мелкодисперсных частиц, находящихся в потоке плазмы. В этом случае лазерный доплеровокий измеритель скорости [103] имеет значительные преимущества по сравнению с другими способами измерения скорости (например, способом измерения скорости по трекам частиц). Такого я е надежного способа измерения температуры частиц в настоящее время не существует. Обычно для нахождения температуры частицы в потоке плазмы приходится решать систему уравнений движения и теплового баланса при наличии многочисленных допущений о режиме движения и нагревания частицы [13, 104]. В связи с этим следует отметить появление интересной экспериментальной работы по определению температуры частиц в плазме [105]. Авторы [105] предложили использовать для измерения температуры частиц метод многоцветовой пирометрии, позволяющий не делать каких-либо предположений о коэффициентах черноты материала частиц. [c.33] Вернуться к основной статье