Фортов В.Е. (редактор) Энциклопедия низкотемпературной плазмы, том 02, Разделы 04-05

Подождите немного. Документ загружается.

V.5. ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

487

зовании особенности ВАХ «малого» сферического зонда

Ленгмюра в режиме орбитального движения, когда его элек-

тронный ток «насыщения» 1

ос (ip

— ip

) и, следовательно,

величина dl/dU становится постоянной при ip

> ip

. Ее

легко выявить в ВАХ стандартными способами измерения

dl/dU путем подачи малого синусоидального смещения U

на зонд. Наконец, можно использовать «самоэмиттирую-

щие» свойства зондов, в т.ч. в режиме «пробоя». В этом

случае зонд, так же как и «плавающий» эмиссионный зонд,

от потенциала у>/ (8.1) может приблизиться к ip

, но не

настолько близко, как накаленный (до ip

— ip

~ T

/e), a

до значений tp

, соответствующих минимальному падению

потенциала ~ 10—20 В на дуге при ее пороговом токе

~0,1 А.

В завершение раздела техники электрозондовых из-

мерений следует рассмотреть основные требования и

особенности исполнения токорегистрирующих зондовых

схем и устройства электродов ДЗ для различных ва-

риантов исследования плазменных параметров. Простей-

шая специальная схема (рис. V.5.27,a) для измерения

тока / и исследования ВАХ одиночного ЛЗ в не-

стационарной плазме состоит из токовой цепи с по-

следовательно включенными нагрузочным сопротивлением

Ri и емкостью Си (для подачи напряжения смеще-

ния U на зонд), а также паразитной индуктивности

ДЗН

Рис. V.5.27. Принципиальные схемы измерения импульсного тока I элек-

трических зондов в вариантах одиночного (а) и двойного «противозонда»

ДЗ (б) в нестационарной плазме: Я/ — нагрузочное сопротивление в цепи

тока, Си — конденсатор для подачи напряжения смещения U на зонд,

Лз — зарядные сопротивления конденсатора, R — нагрузочное сопроти-

вление схемы, равное волновому сопротивлению Z ее выходного кабеля,

Сf — емкость входной части схемы ДЗ относительно «земли», С

— па-

разитная емкость между входной и выходной обмотками трансформаторной

схемы гальванической развязки ДЗ; / — стенка камеры установки, 2 —

плазма, 3 —- изоляторы зонда, 4 — «заземленный» экран схем, 5 — кабель,

6 — экран входной части схемы ДЗ под «плавающим» потенциалом <рj

кабеля, соединяющего схему с зондом. Номиналы этих

элементов выбираются, исходя из требования основного па-

дения подаваемого потенциала U именно на плече «зонд-

плазма» цепи в течение всей регистрации, что приводит к

следующим условиям:

(8.4)

наряду с очевидным требованием R\ -ti Z волнового сопро-

тивления кабеля для регистрации тока на осциллографе.

Все эти же условия должны быть выполнены и при ис-

полнении более сложных схем регистрации тока двойных

зондов, требование «плавания» которых делает необходи-

мым выполнение таких дополнительных условий, как спо-

собность выдержать без пробоев контакт с высоким потен-

циалом в плазме iff ~ кВ и успеть зарядиться до него за

время Tf и Cf<pf/j-,S

, много меньшее характерных вре-

мен изменения параметров плазмы при обычном значении

емкости Cf ~ 100 пФ между схемой и «землей». Для

уменьшения влияния электростатических наводок от у>/

все виды схем необходимо тщательно заэкранировать, при-

чем «плавающие» должны иметь как минимум два экрана

(рис. V.5.27,6): один обычный, «заземленный» и экраниру-

ющий все выходные цепи схемы, включая осциллограф,

а второй, находящийся под «плавающим» потенциалом и

охватывающий всю входную цепь, начиная с зонда, та-

ким образом, чтобы между этими цепями была минималь-

ная емкостная связь, а между экранами — надежная изо-

ляция. Традиционно гальваническая развязка при напря-

жениях ^ 1 кВ (и в полосе ~ 10 кГц—10 МГц) между

входной и выходной цепями схемы двойных зондов осу-

ществляется индуктивным способом, на основе различных

трансформаторов (рис. V.5.27,6) или поясов Роговского с

разрезами в экранах, за счет которых возникает емкостная

связь между цепями, характеризуемая эффективной проход-

ной емкостью С

~ 10 пФ.

В последние годы для этой цели эффективно приме-

няются специальные оптронные развязки, которые могут

обеспечить работу при напряжениях до 1000 кВ и в полосе

от нуля до ~ 100 МГц в широком динамическом диапазоне

~ 100 дБ. Во многих случаях плазменных измерений за-

дача гальванической развязки двойных зондов может быть

решена с помощью более простых и универсальных схем

со сравнимым диапазоном при емкости С

~ 1 пФ, выпол-

ненных на основе поясов Роговского (до 20 кВ в полосе до

50-500 МГц) или промышленных диодных оптопар типа

ЗОД101А, АОД130А до 0,5-5 кВ в полосе до 10 МГц.

Не менее существенными могут быть паразитные токо-

вые наводки внутри входной цепи любых схем как из-за на-

личия паразитной емкости С* токоподвода измерительного

электрода ДЗ на «землю», так и его «неэквипотенциаль-

ного» расположения относительно опорного, при наличии

больших градиентов ip

^ 1 кВ/см в типичных условиях

распространения ударных волн и лазерной плазмы попе-

рек магнитного поля В или развития ее турбулентности.

Их уровень определяют общим способом проверки нуле-

вой величины сигнала / при (7 = 0. Они могут быть

особенно значительными при использовании заведомо не-

симметричного метода «противозонда» с большим опорным

электродом, принимающим значение некоторого среднего

«плавающего» потенциала ipf. В этом случае даже при

эквипотенциальном расположении электродов существенно

различного размера по отношению к радиусу Дебая или

Лармора из-за разницы в условиях их зарядки до tp/ в по-

токах плазмы и поле В, они могут «плавать» с разными

ipf, но давать в таком случае токовую наводку или сдвиг

AU ~ Aiff в ВАХ не паразитного, а регулярного харак-

тера, в отличие от эффектов «неэквипотенциальности», ха-

рактеризуемых скачками тока на фронтах плазмы или поля

В. С учетом этих особенностей, для исследований типа

измерения Т

лазерной плазмы в поле ~ 100 Гс или реги-

страции ее потока по Л = jiS

= eN

в полях до

32*