Приборы и техника эксперимента, 2022, № 1, стр. 92-96

ВВЕДЕНИЕ

Локальная диагностика неравновесной газоразрядной плазмы, позволяющая определять потенциал плазмы, концентрацию электронов, их температуру, а также функцию распределения электронов, является важнейшим экспериментальным этапом физики плазмы [1–11]. Она позволяет судить о правильности понимания процессов, протекающих в газоразрядной плазме, и прогнозировать свойства разрабатываемых генераторов плазмы и приборов на ее основе. Наиболее простым и надежным инструментом локальной диагностики плазмы является зонд Ленгмюра, представляющий собой небольшой металлический электрод, погруженный в плазму [1–6]. Зонд соединяется с источником питания, позволяющим поддерживать на нем различные потенциалы, как положительные, так и отрицательные. Измеряя ток, идущий при этом на зонд, мы получаем так называемую зондовую характеристику, дающую сведения о параметрах плазмы [1–6].

Необходимо отметить, что идеи зондовой диагностики плазмы, а именно измерение высокоэнергетичной части нелокальной функции распределения в плазменной области отрицательного свечения тлеющего разряда в буферном инертном газе с примесями, нашли применение и в основе разработки микроплазменных анализаторов газовых смесей [11–14].

На сегодняшний день существуют различные коммерческие зондовые системы, например система MFPA фирмы Plasma Sensors [15, 16], система Impedans [17] одноименной фирмы или система Hiden ESPION фирмы Hiden Analytical Ltd [18]. Они позволяют в режиме реального времени измерять зондовые характеристики и определять из них все основные параметры плазмы. Отметим, что системы Impedans и ESPION чувствительны к шумам при определении высокоэнергетичной части функции распределения электронов (ф.р.э.), что требует изготовления специальных фильтров, усилителей при комплексной диагностике газоразрядной плазмы [15, 19]. Кроме того, главным минусом всех вышеперечисленных систем являются чрезвычайная дороговизна и достаточно большие размеры, что исключает возможность их использования в качестве составных частей в микроплазменных газоанализаторах [10–14].

В связи с вышесказанным в работе была поставлена следующая цель – разработать компактную зондовую систему, позволяющую измерять зондовые характеристики и определять основные параметры плазмы, включая ф.р.э., в постоянных и импульсных газовых разрядах.

ОПИСАНИЕ ЗОНДОВОЙ СИСТЕМЫ

Зондовая система регистрации была разработана на основе внешнего модуля а.ц.п./ц.а.п. E14-140M компании L-CARD (а.ц.п. – аналого-цифровой преобразователь, ц.а.п. – цифроаналоговый преобразователь). Основные параметры этого модуля: а.ц.п. 14 бит до 200 кГц, 16/32 канала коммутации, поддиапазоны ±10 В, ±2.5 В, ±0.6 В, ±0.15 В для асинхронного и синхронного режимов сбора данных; ц.а.п. 16 бит, 2 канала ±5 В, до ±10 мА, до 200 кГц по каждому каналу; обеспечивается непрерывный сбор–выдача аналоговых данных а.ц.п.–ц.а.п.; асинхронный цифровой ввод 16 бит, вывод 16 бит данных. Блок-схема зондовой системы изображена на рис. 1. Источник зондового смещения использовал батарейное питание, гальваническая развязка осуществлялась посредством аналогового оптрона с высокой линейностью HCNR-200, на который напряжение поступало с одного из ц.а.п. Зондовый ток преобразовывался в напряжение с помощью операционного усилителя, чувствительность могла меняться программным образом во время измерений. Полученное напряжение поступало на вход одного из каналов а.ц.п.

Для работы в стационарном режиме в управляющей программе был использован метод накопления сигнала. Для этого в управляющем окне можно было установить время интегрирования. Все зондовые характеристики, измеренные во время интегрирования, усреднялись для получения одной результирующей зондовой вольт-амперной характеристики.

Для работы в импульсном режиме в схеме был задействован микроконтроллер ATmega 8535. Он задавал период импульсного разряда, длительность активной фазы, время открытия электронного коммутатора и время измерения в нужной фазе послесвечения. Все эти параметры устанавливались с персонального компьютера через цифровые выходы E14-140M.

Модуль E14-140M подключался к персональному компьютеру через USB-порт. Для данной системы регистрации была написана управляющая программа для операционной системы Windows на языке Си++. Она позволяла задавать параметры зондовой схемы и отображать вольт-амперную характеристику (в.а.х.), первую и вторую производные во время измерений и записывать результаты в текстовый файл. Первая и вторая производные определялись с помощью численного дифференцирования.

Разработанная программа позволяла определять все основные параметры плазмы. Так, на рис. 2 представлено окно управляющей программы, в режиме измерения в.а.х., ее первой и второй производной в плазме положительного столба тлеющего разряда в гелии в режиме послесвечения. Представлено нахождение температуры электронов, которая определялась по линейному участку зависимости логарифма первой производной зондового тока от потенциала зонда по формуле [1–5]

В случае измерения высокоэнергетичной части ф.р.э. в плазме послесвечения, а также в стационарной плазме отрицательного свечения тлеющего разряда в чистых инертных газах или с примесями возможно формирование узких пиков (максимумов) от электронов, рожденных в реакциях пеннинговской ионизации и ударов второго рода с участием метастабильных атомов инертного газа [1, 10]:

где ${{E}_{p}}$ и ${{E}_{f}}$ – энергии рождения быстрых электронов.

Если рождающиеся в этих реакциях быстрые электроны не успевают изменить свою энергию за счет электрон-атомных и электрон-электронных столкновений и уходят на стенки в режиме свободной диффузии [20], то количество быстрых электронов, которое можно получить интегрированием ф.р.э., можно легко связать с концентрацией метастабильных атомов. Характерное время свободной диффузии электронов в случае цилиндрической геометрии разрядной трубки определяется выражением

где D_e – коэффициент диффузии, R – радиус трубки, L – длина трубки. Для оценки концентрации метастабильных атомов можно воспользоваться результатами интегрирования кинетического уравнения для изотропной части ф.р.э. [1, 10]: где ${{N}_{j}}(0)$ и ${{N}_{m}}(0)$ – концентрации участвующих в реакции частиц в центре разрядной трубки, ${{S}_{e}}(0)$ – концентрация быстрых электронов, ${{k}_{{im}}}$ – константа скорости данной реакции. Экспериментально ф.р.э. можно определить с помощью формулы Дрювестейна, которую удобно записать в виде [1–4]

В данном выражении ${{i}_{e}}$ – электронный ток на зонд, U – потенциал зонда относительно потенциала плазмы, $S$ – площадь зонда, ${{f}_{e}}(\varepsilon )$ нормирована на концентрацию электронов. Таким образом, измерив ф.р.э., можно найти концентрацию метастабильных атомов и концентрацию электронов. Управляющая программа позволяет осуществлять данный расчет автоматически во время эксперимента, что иллюстрирует рис. 3.

На рис. 3 отображаются результаты регистрации пиков на высокоэнергетичной части ф.р.э. в тлеющем разряде в гелии при давлении 4.8 Торр, разрядном токе 8 мА, а также вычисленные значения концентрации метастабильных атомов гелия и концентрации электронов.

Далее приведем результаты сравнения вторых производных зондовых в.а.х., полученных в результате измерений, выполненных с помощью разработанной зондовой системы и системы MFPA фирмы Plasma Sensors [14, 15]. Так, на рис. 4 представлены зондовые в.а.х. и их вторые производные, полученные численным методом с помощью двух зондовых систем в тлеющем разряде в гелии с примесями воздуха.

В обоих случаях зарегистрированы пики от быстрых электронов на высокоэнергетичной части ф.р.э. Так, наблюдаются пики в диапазоне 19.8–20 эВ, что соответствует электронам, возникающим в суперупругих реакциях:

Кроме того, в обоих случаях хорошо выражены пики в областях 3.1 эВ, 4.2 эВ и 6.2 эВ. Они связаны с электронами, образующимися в реакциях пеннинговской ионизации молекул примеси метастабильными атомами гелия [13]:

Видно, что результаты практически совпадают, что свидетельствует о надежности разработанной зондовой системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработана и реализована зондовая система, позволяющая в автоматическом режиме измерять все основные параметры плазмы, концентрации заряженных частиц, температуру электронов, а также ф.р.э. и по своей функциональности не уступающая коммерческим аналогам. При этом зондовая система является компактной, что важно для создания миниатюрных микроплазменных газоаналитических систем на ее основе.