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 V_s 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 i_e, i₊. Условимся о таком знаке зондового тока: i = i_e ­- 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=V_s зондовый ток практически совпадает с электронным: i i_e.

Когда на зонд подан положительный относительно плазмы по­тенциал V>V_s, ионы отталкиваются от зонда, ионный ток исчезает, а электроны притягиваются. Около зонда образуется слои отрицательного объемного заряда, который экранирует потенциал V_р. Падение потенциала от V до V_s 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 i_енас. Этому соответствует верхняя пологая часть ВАХ АВ. В идеальном случае «без­граничной» плоскости i_енас = 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 |V_р|, 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 V_p 0) фиксирует потенциал простран­ства V_s. Его так и можно найти на опыте. Передвигая зонд, по разности потенциалов V_s в соседних точках определяют электрическое­ поле.

При некотором отрицательном потенциале V_p = V_f (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 V_f (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 V_p . 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 V_s 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 V_f < 0 (рис. 8.12 а).

Обозначим потенциал левого зонда относительно плазмы V_p1, правого -­ V_p2 . Условимся о направлении отсчета напряжения: V = V_р1-V_р2. Электрический ток i будем считать положитель­ным, когда он течет из плазмы в левый зонд; i_e, 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 V_р > 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 i_e1, i_e2 применима формула Ленгмюра. В соответствии с (8.16)

где ионные токи относительно слабо зависят от ускоряющего ионы отрицательного потенциала зонда.