Вольтамперная характеристика одиночного зонда
Электрические зонды
При зондовом исследовании в определенное место плазмы вводится электрод, на который подаются различные потенциалы. Это металлический проводник, почти до конца покрытый изоляцией. Оголенной поверхности зонда, которая соприкасается с плазмой, придают разные формы: плоскую, цилиндрическую, шарообразную. Потенциал зонда, задаваемый источником напряжения, фиксируется относительно опорного электрода: анода, кaтода или заземленной металлической стенки разрядной камеры, если таковая имеется.
На рис. 8.1 изображена схема измерений. В данной схеме зондовый ток замыкается через анод А, поэтому полярность источника напряжения для зонда выбрана так, чтобы потенциал зонда был ниже потенциала aнoдa, промежуточным между потенциалами анода и катода К, как в плазме. Потенциал зонда варьируется при помощи потенциометра. Эксперимент заключается в измерении токов, протекающих через зонд, и приложенных к нему напряжений - в снятии зондовой вольтамперной характеристики.
Вольтамперная характеристика одиночного зонда
На рис. 8.3 представлена несколько идеализированная зондовая характеристика - зависимость электрического тока i, протекающего через плоский зонд, от его потенциала V. Откуда отсчитывать потенциал - значения не имеет, лишь бы точка отсчета была четко фиксированной. Именно для этой цели и служит опорный электрод. Дадим качественную интерпретацию зависимости i (V). Допустим, что в отсутствие зонда плазма электронейтральна, . Потенциал плазмы в том месте, куда помещен зонд, обозначим Vs и будем отсчитывать его от опорного электрода. Измеряемый на опыте потенциал зонда относительно опорного электрода есть
, где
- потенциал зонда относительно невозмущенной плазмы в его окрестности (рис. 8.1).
Зонд только собирает заряды из плазмы. Он их не испускает. Будем оперировать абсолютными значениями электронного и ионного токов на зонд ie, i+. Условимся о таком знаке зондового тока: i = ie - i+, ему соответствует ориентация кривой рис. 8.3. Если потенциал зонда совпадает с потенциалом пространства и токособирающая поверхность параллельна направлению внешнего поля между анодом и катодом, заряды попадают на зонд исключительно благодаря своему тепловому движению. Но электроны движутся гораздо быстрее ионов, тем более что их температура в слабоионизованной плазме гораздо больше ионной (газовой) Т. Поэтому при V=Vs зондовый ток практически совпадает с электронным: i ie.
Когда на зонд подан положительный относительно плазмы потенциал V>Vs, ионы отталкиваются от зонда, ионный ток исчезает, а электроны притягиваются. Около зонда образуется слои отрицательного объемного заряда, который экранирует потенциал Vр. Падение потенциала от V до Vs и поле зонда сосредотачиваются в области слоя пространственного заряда, асимптотически исчезая при переходе в невозмущенную плазму. Эффект совершенно аналогичен поляризации плазмы вокруг заряда и экранировке поля заряда в плазме на расстояниях, больших дебаевского радиуса.
Введем условную внешнюю поверхность слоя - границу, дальше которой плазму можно приближенно считать нейтральной, а поле - отсутствующим. Электроны попадают извне на границу слоя, а потом и на зонд, в основном благодаря тепловому движению, чем и определяется их поток, который слабо зависит от потенциала зонда. Зондовый ток совпадает с более или менее постоянным электронным током насыщения iенас. Этому соответствует верхняя пологая часть ВАХ АВ. В идеальном случае «безграничной» плоскости iенас = const и эта часть ВАХ была бы горизонтальной. В случае небольшого зонда ток нарастает с ростом положительного потенциала, но медленнее, чем в крутой части ВАХ.
Если создать на зонде отрицательный относительно плазмы потенциал, электронный ток резко падает по мере возрастания |Vр|, так как все меньше электронов обладает скоростями, достаточными для преодоления тормозящего поля. Так возникает крутая часть характеристики С. Место верхнего «излома» ВАХ (точка В, соответствующая Vp 0) фиксирует потенциал пространства Vs. Его так и можно найти на опыте. Передвигая зонд, по разности потенциалов Vs в соседних точках определяют электрическое поле.
При некотором отрицательном потенциале Vp = Vf (точка D нa рис. 8.3) ток исчезает. В этом состоянии поток на зонд небольшого количества энергичных электронов, способных преодолеть тормозящий потенциал, компенсирует поток ионов. Такой потенциал Vf (он называется плавающим) приобретает помещенное в плазму изолированное тело. Можно сказать, что в опытах с зондом без питания измеряли не потенциал плазмы, а более отрицательный плавающий потенциал.
При еще больших отрицательных потенциалах зонд отталкивает практически все электроны. Ионы он притягивает. Зонд окружает ионный слой положительного объемного заряда, который экранирует большой отрицательный потенциал Vp . Ток на зонд является чисто ионным, причем определяется он потоком ионов, попадающих на границу слоя из окружающей плазмы. Поток этот мало зависит от потенциала зонда, который заэкранирован, т.е. зондовый ток меняется медленно и совпадает с ионным током насыщения. Этому соответствует нижняя пологая часть ВАХ.
Двойной зонд
Характеристика. На рис. 8.11 показана измеренная характеристика двойного зонда, полученная в безэлектродном ВЧ разряде. Разберем ее физический смысл в предположении об одинаковости самих зондов и параметров плазмы в местах, где они находятся. Симметричность приведенной характеристики свидетельствует о том, что эти условия выполнялись в данном эксперименте с хорошей точностью. Если потенциалы плазмы Vs в местах расположения зондов одинаковы, то в отсутствие напряжения, V = 0, ток через зондовую цепь не течет: i = 0. В данном случае это условие также выполнялось: видимо, зонды были расположены достаточно близко, и градиент потенциала в плазме был мал. Оба зонда при этом находились под одним и тем же плавающим потенциалом Vf < 0 (рис. 8.12 а).
Обозначим потенциал левого зонда относительно плазмы Vp1, правого - Vp2 . Условимся о направлении отсчета напряжения: V = Vр1-Vр2. Электрический ток i будем считать положительным, когда он течет из плазмы в левый зонд; ie, i+ - по-прежнему абсолютные значения электронного и ионного токов на зонд *). Сколько положительного заряда втекает из плазмы в один из зондов, столько вытекает из другого в плазму; поэтому
Потенциал ни одного из зондов не может быть положительным. В самом деле, при Vр > 0 на зонд течет электронный ток насыщения. Согласно (8.16) на другом зонде он должен замыкаться
ионным током, который существенно меньше. Таким образом, не только зондовая система в целом «плавает», т.е. заряжена отрицательно относительно плазмы, но и каждый из зондов непременно «отрицателен». Пусть на левый зонд от источника подан «минус», на правый - «плюс» (V < 0). Ток в плазме течет от «плюса» к «минусу». Значит, на левом зонде преобладает ионный ток, на правом - электронный. Если напряжение |V| большое, левый зонд сильно отрицателен, правый - менее отрицателен, чем плавающий (рис. 8.12 б). На левый идет чисто ионный ток насыщения. Зависимость i(V) при этом слабая. Этому соответствует левая пологая часть ВАХ. При небольших отрицательных V ионный ток на левый зонд частично компенсируется электронным. Но последний сильно зависит от потенциала зонда по больцмановскому закону. На этом участке ВАХ ведет себя круто; ток резко уменьшается до нуля при V 0. Правая часть ВАХ в точности повторяет левую и соответствует перемене полярности - подаче «плюса» на левый зонд, а «минуса» на правый (рис. 8.12 в) .
Поскольку потенциалы на обоих зондах отрицательны относительно плазмы, для описания электронных токов ie1, ie2 применима формула Ленгмюра. В соответствии с (8.16)
где ионные токи относительно слабо зависят от ускоряющего ионы отрицательного потенциала зонда.