Các phương pháp chuẩn đoán plasma pot

Sự bức xạ hãm:• Do sự va chạm giữa các điện tử với các ion nặng, điện tử bị mất một phần năng lượng của mình, phần năng lượng này phát xạ ra dưới dạng lượng tử ánh sáng.. Nếu gọi Ia là c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ

NHIÊN KHOA VẬT LÝ

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL

PLASMA

• 1845:từ “Plasma” đươc phát biểu với ý nghĩa sinh vật học

• 1923: Langmuir và Tolk gọi chất khí ở

trạng thái dẫn điện là plasma

• 1667,nhà bác học Floreltre phát hiện ra

ngọn lửa đèn có tính dẫn điện.

• 1698,tiến sĩ Volt người Anh phát hiện hiện

tượng phóng tia lửa điện trong không khí khi nghiên cứu sự nhiễm điện của hổ

phách

• Đầu thế kỉ XIX,giáo sư Pétro đã phát minh

ra hồ quang

• Irving Langmuir (1881

-1957) là nhà khoa học Mỹ đầu tiên nghiên cứu về trạng thái plasma, người được coi

là cha đẻ của vật lý plasma

thí nghiệm tạo ra khối cầu

phát sáng có đặc tính dường như giống sét hòn.

niệm nhiệt độ điện tử và phát minh ra phương pháp chẩn đoán mật độ và nhiệt độ

plasma bằng đầu dò điện.

• Năm 1940, Hannes

Alfvén đã chứng

minh rằng một loại

chuyển động tập thể mới, gọi là “sóng từ- thủy động lực học” có thể được sinh ra

trong các hệ plasma Các sóng này đóng một vai trò quan

trọng xác định tính

chất của plasma.

KHÁI NIỆM PLASMA

Theo định nghĩa của Langmuir, plasma là “một

tập hợp” các hạt mang điện và các hạt trung hòa phải thỏa mãn:

1 Điều kiện gần trung hòa:

2 Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích

thước của miền chứa tập hợp đó:

Một số dạng Plasma

TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN PLASMA

• Chẩn đoán plasma là nghiên cứu các hiện tượng vật lý tiến triển bên trong plasma, từ đó suy ra các tính chất của

plasma.

• Phương pháp chẩn đoán plasma là các phương pháp đo nhiệt độ, mật độ, thành phần plasma.

• Khó khăn trong việc thiết lập mô hình lý thuyết

• Phải tiến hành chẩn đoán bằng nhiều phương pháp khác nhau trên cùng một đối tượng

Ví dụ chẩn đoán plasma trong

tokamak

Đầu dò từ

Tán xạ Thomson

Quay phim tốc độ cao

Tán xạ chùm

laser

Các phương pháp chẩn đoán

Đầu dò langmuir Nhiệt độ plasma, nồng độ, thế plasma Phân tích quang phổ phát xạ nhiệt độ, nồng độ, thành phần plasmaChẩn đoán chùm nơtron nhiệt độ ion

Giao thoa kế viba nồng độ electron

Quay phim tốc độ cao hình ảnh plasma

Tán xạ thomson Nồng độ và nhiệt độ electronTán xạ chùm laser

…

I Nguyên tắc kích thích phổ phát

trong plasma

• Plasma, khi bị nung nóng đến nhiệt độ khá cao thì trở thành nguồn bức xạ rất mạnh Các dạng va chạm khác nhau giữa các

hạt trong plasma là nguyên nhân gây ra

sự phát xạ tia năng lượng, và chính đồng thời sinh ra phổ phát xạ.

II Các quá trình sinh ra các phát

xạ năng lượng:

• 1 Bức xạ gián đoạn

• 2 Sự bức xạ tái hợp

• 3 Sự bức xạ hãm

các nguyên tố hóa học hầu

như thường nằm trong vùng

phổ từ 190-1000nm (vùng

UVVIS) Chỉ có một vài nguyên

tố á kim hay kim loại kiềm mới

có một số vạch phổ nằm ngoài

vùng này

2 Sự bức xạ tái hợp:

• Sự bức xạ tái hợp sinh ra

khi ion thu nhận điện tử.

• Sự tái hợp giữa ion âm

và điện tử và với ion

dương sẽ làm giảm ion

2 Sự bức xạ tái hợp:

• Sự tái hợp là quá trình nghịch của quá trình ion hoá.

3 Sự bức xạ hãm:

• Do sự va chạm giữa các điện tử với các ion nặng, điện tử bị mất một phần năng lượng của mình, phần năng lượng này phát xạ ra dưới dạng lượng tử ánh sáng Bức xạ sinh ra khi có sự va chạm của

điện tử với nguyên tử hoặc ion dương

nặng, gọi là bức xạ hãm.

• Bức xạ hãm sẽ sinh ra quang phổ liên tục

III Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật

III Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ,

mật độ hạt trong plasma:

thì theo quy luật Bolzamann ta có:

Nm= Na (gm/ g0) exp ( -ΔEmo/k T)

Nếu gọi Ia là cường độ của vạch phổ do quá trình kích

thích phổ đã nói ở trên sinh ra,ứng với một nhiệt độ plasma

nhất định ,Ia phụ thuộc vào:

- Số nguyên tử Ao đã bị kích thích

lên trạng thái A*, (Nm)

- Thời gian tồn tại của nguyên tử

Đối với một loại nguyên tử và trong một nhiệt độ plasma nhất định thì

các yếu tố Amo, go, gm, Cm, hv là những hằng số

Ia chỉ phụ thuộc vào Na

I a =k N aVới: k = f (l/t m ) A m0 (g m / g 0 ) hν exp ( -ΔE mo /k T)

Như vậy đối với quang phổ nguyên tử, ứng với nhiệt

độ nhất định của plasma, ta tìm được cường độ của phổ, ta có thể tìm được mật độ các nguyên tử trong plasma (Na).

Khảo sát nhiệt độ vật đen:

•Người ta tạo ra vật đen bằng cách dùng một bình C có đục một lỗ thủng nhỏ, bên trong bôi đen bằng mồ hóng, (có thể coi là vật

đen),bức xạ khi đi qua lỗ hổng bên trong bình, phản xạ nhiều lần liên tiếp bên trong bình, do đó hầu hết năng lượng bức xạ đều bị hấp thụ Diện tích lỗ hổng vừa là bề mặt hấp thụ, vừa là bề mặt bức xạ.

- Vật đen là những vật hấp thụ hoàn

toàn bức xạ chiếu xạ chiếu tới, đối

với mọi độ dài sóng và đối với mọi

góc tới

- Thực tế không có vật đen tuyệt đối.

Đường đặc trưng phổ phát xạ

của vật đen:

• Bức xạ phát ra bởi một vật gồm nhiều đơn sắc, năng lượng phát ra ứng với mỗi đơn sắc không bằng nhau và được đặc trưng bởi hệ số chói năng lượng đơn sắc Eλ

• Đường cong biễu diễn sự biến thiên của Eλ

theo bước sóng λ được gọi là đường đặc trưng phổ phát xạ của vật

Ta xác định được đặc trưng phổ phát xạ của vật đen bằng thí nghiệm:

A

C

Đường cong biễu diễn sự biến thiên của độ chỉ trên điện kế G theo độ dài

sóng của bức xạ ra bởi vật đen A chính là đường cong biễu diễn sự biến thiên

của Eλ theo λ hay chính là đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen.

Bằng cách thay đổi nhiệt độ cuả vật đen, ta vẽ được

nhiều đặc trưng ứng với nhiều nhiệt độ khác nhau

Nhận xét:

• +Nhận xét đường đặc trưng trên, ta thấy Eλ cực đại ứng với một độ dài sóng λm

• + Năng suất phát xạ toàn phần R tăng rất nhanh theo nhiệt độ T của vật đen

• + Nhiệt độ của vật đen càng cao thì trị số của λm càng tiến

về phía độ dài sóng ngắn.

Nhiệt độ bức xạ của vật thực:

• R là năng suất phát xạ toàn phần

• Với các vật đen, năng suất phát xạ toàn phần

Rvđ tuân theo định luật Bolzamann:

Rvđ = T4

• Với các vật thực (không đen) thì năng suất phát xạ toàn phần R < R vđ

- Đặt R= b*T 4 , với b là độ đen của vật, phụ thuộc vào tính chất và nhiệt độ của vật ( b <1)

- Nếu ta xét nhiệt độ T ̓ của một vật đen có năng suất phát xạ toàn phần bằng năng suất phát xạ của một vật thực ở nhiệt độ T thì T ̓ là nhiệt độ bức xạ của vật

thực.

Vậy nhiệt độ thực của vật thực là:

Nếu xác định được nhiệt độ bức xạ T ̓ của vật thực, ta suy ra nhiệt độ thực T của nó

Nhiệt độ bức xạ của vật thực:

Ứng dụng: Hoả kế quang học:

• Hoả kế dùng để đo các nhiệt độ cao: nhiệt độ của một vật nung đỏ, nhiệt độ của lò luyện

kim….

• Chùm bức xạ phát ra từ nguồn A ( đóng vai trò là vật đen như cửa sổ của một lò luyện kim), hội tụ vào một đĩa nhỏ K bằng bạc bôi đen Độ chói của ảnh A ̓ trên đĩa K bằng độ chói của nguồn A Nhiệt độ của đĩa K được đo bằng một cặp nhiệt điện

và một điện kế G có độ nhạy lớn Nhiệt độ này tỉ lệ với độ

chói của ảnh A ̓, do đó tỉ lệ với độ chói của vật đen A Bằng một băng đo mẫu nhiệt độ có sẵn, ta suy ra nhiệt độ của A

Nguyên tắc hoạt động:

•Đầu dò được đưa vào trong

plasma

•Sự biến thiên từ trường trong

vòng dây làm điện áp hai đầu của đầu dò thay đổi

•Một máy dao động ký ghi lại sự thay đổi điện áp.

•Dựa vào sự thay đổi điện áp ta biết được sự phân bố từ trường trong plasma

Vai trò cảu phương pháp đầu dò từ

•cho biết được sự phân bố cường độ từ trường trong ống

I wire

insulator

Là một sợi dây kim

mũi nhọn của sợi

dây gọi là đầu dò

Cấu tạo đầu dò Langmuir

Sợi dây kim loại mảnh làm bằng Tungsten hay Modylen,

 Điều chỉnh biến trở

→ Uanode-đầu dò thay đổi

→ Iđầu dò thay đổi

• Data from the oscilloscope

is then sent to a PC for further analysis.

• Ion as well as electron temp and density can be found from V/I.

• These characteristics are important for setting the

plasma process parameters.

Đường đặc trưng Volt - Ampere

Các hạt mang điện khuyếch tán đến thành ống, đặc biệt là các e -> Thành ống tích điện âm

Một lớp mỏng điện tích dương xuất hiện gần bề mặt thành bình,

có tác dụng như lớp vỏ bao lấy plasma, ngăn dòng khuyếch tán ion dương

Thế năng tại lớp vỏ mỏng gọi là thế bao (Sheath Potential)

Khi đưa đầu dò Langmuir vào bên trong plasma, các e bao quanh đầu

dò, hình thành màn chắn tĩnh điện

Màn chắn tĩnh điện này “thu hút” các ion dương và ngăn chặn các e kế tiếp

di chuyển đến đầu dò cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng

Thế năng tại màn chắn gọi là thế nổi

(Floating Potential) Ký hiệu: Vf

Khi plasma ở trạng thái cân bằng, nó có một thế năng

nhất định gọi là thế plasma ký hiệu: Vp

Tiêu chuẩn Bohm

 Trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò không

có tái hợp giữa các điện tích.

v

x e

e

v

x x

e

dv kT

V V

e v

m v

kT

m en

dv E ef J

1exp

2

2 2

1 2 0

0

exp2

1

exp4

p e

π

Mật độ dòng ion đến đầu dò:

 cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được:

B e

p i

kT

V V

e v

e n A AJ AJ

2

1 exp

−

=

e

p e

i B

kT

V V e m

M v

en A

Miền B: Dòng ion và electron đầu dò thu nhận được:chạm vào nó

2 1

0

84

e i

m

kT n

eA I

I I

π

Thế nổi V f

 Miền C: V < Vp, đầu

dò bắt đầu đẩy các e và hút các ion dương về phía đầu dò Chỉ có các

e nào có đủ động năng mới tới được đầu dò

p f

e

m M

V

V e

kT

π

2ln

 Miền D: V < Vf , các ion dương có chuyển động

ngẫu nhiên xuyên qua vùng màn chắn tĩnh điện sẽ bị

đầu dò thu nhận, cùng với

nó lớp màn chắn bị mỏng

đi do thế của đầu dò

Nếu V << Vp thì ta phải xét đến sự phát xạ điện tử thứ cấp

và các electron thứ cấp này va chạm mạnh với dòng ion tới

2

1

v Aen

 V < Vp : Ie thay đổi theo quy luật hàm mũ (giả thiết hàm phân bố của e là

Maxwell-Boltzmann)

chắn plasma

= I”max hoặc I”(Vp) = 0 (Tiêu chuẩn Druyvesteyn).

Xác định các đặc trưng của plasma

e

kT

V V e m

kT eAn

2

2 1

0 π

Từ biểu thức xác định dòng electron đến đầu dò:

2 1

m

kT eAn

I

π

là cường độ dòng electron bão hòa (tại V ≈ Vp)

p e

e

p p

e

p p

e

p e

e

e

p e

e

I I

V V I

I

V V e

kT

kT

V V e I I

kT

V V e I

kT

V V e m

kT eAn

kT

V V e m

kT eAn

I

ln ln

exp 2

ln

ln

2 1 0

2 1 0

π π

(*) (**)

Từ đường đặc trưng Volt – Ampe ở hình trên, nếu ta biểu

diễn lại trên trục semi-logarith lnI = f(V), ta sẽ được đường

thẳng với phương trình có dạng biểu thức (*)

Từ đây, ta xác định được nhiệt

độ của electron trong plasma:

Nồng độ e hay ion dương

2 1

m

kT eAn

I

π

2

1 0

m

kT eA

I n

π

Từ biểu thức tính cường độ dòng electron bão

hòa:

Với nhiệt độ electron trong plasma đã xác định ở trên,

ta có thể tính được nồng độ electron (hay ion) trong plasma:

Typical Langmuir Probe I-V Curves

full I-V curve floating potential

temperature fitting

Density from ion saturation

plasma potential

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

(Emissive probe)

1 CẤU TRÚC

 Dựa trên nguyên lí cơ bản là: Nếu thế đầu dò

là dương so với thế plasma, các electron

phát ra với năng lượng thấp bị hút trở lại đầu

dò Trong trường hợp này dòng đầu dò là

không thay đổi bởi sự phát xạ ra các

electron Nếu thế đầu dò là âm so với thế

plasma, các electron phát xạ có thể đi vào

plasma

Đ U DÒ PHÁT X Ầ Ạ

2 Hoạt động.

• Nếu đầu dò được nung nóng cho đến khi phát xạ ra electron, dòng đầu dò tổng cộng, là một hàm của điện thế đầu dò, được cho bởi công thức:

Tω là nhiệt độ của đầu dò

là công thoát điện tử bề mặt đầu dò φw

mà tại đó xuất hiện

điểm uốn trên đường

đặc trưng của đầu dò

phát xạ tương ứng

với thế plasma

Phương pháp thế nổi

• Phương pháp này bao gồm việc đo các thế nổi của đầu dò ở các dòng nhiệt khác nhau Khi dòng nhiệt tăng lên, thế nổi của đầu dò sẽ dịch chuyển (tăng) cho đến khi nó đạt giá trị bão hòa ứng với thế

plasma

P L A S M A

Sơ đồ mạch điện đầu dò trong plasma

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

ĐẦU DÒ FARADAY (Faraday probe)

Đầu dò Faraday là một dụng cụ để đo mật độ dòng điện Các loại đầu dò:

Đầu dò có hai bộ phận chính:

* Vành góp

* Vòng bảo vệ

ĐẦU DÒ FARADAY

Vành góp

Làm bằng thép không rỉ

Được phun một lớp tungsten để làm giảm sự phát xạ electron thứ cấp từ sự bắn phá ion

Đ U DÒ FARADAY Ầ

Hoạt động:

 Khi các ion đập vào bề mặt của vành góp, các electron chứa trong phần kim loại của đầu dò Faraday tuôn ra bề mặt đầu dò để trung hòa các ion tập trung trên bề mặt

 Các electron di chuyển tạo ra dòng điện đầu dò, dòng này bằng với dòng ion

 Mật độ dòng được xác định bởi tỉ số của dòng ion và diện tích của vành góp

J= I/A

ĐẦU DÒ FARADAY

Trong thực nghiệm: Người ta sử dụng vôn kế để đo điện thế đầu

dò V, sau đó mật độ dòng sẽ được tính như sau:

j = RA Với : R là điện trở trong

mạch

A là tiết diện đầu dò

Đầu dò Faraday trong LVTF

Đ U DÒ FARADAY Ầ

ĐẦU DÒ FARADAY

Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của mật độ

dòng vào vị trí góc

GIAO THOA KẾ VIBA

(MICROWAVE INTERFEROMETRY)

Nguyên tắc hoạt động dựa vào sự thay đổi pha của chùm sóng viba khi nó

đi qua cột plasma Sự thay đổi pha tỉ lệ với tích phân mật độ dọc theo

đường dẫn chùm tia.

Sự thay đổi pha được xác định dựa vào giao thoa kế Mach - Zehnder

GIỚI THIỆU CHUNG

SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG

GIAO THOA KẾ MACH - ZEHNDER

Gương

Gương bán mạ

Detector

Quan hệ giữa pha đo được (rad) và phần thực của chỉ số khúc xạ được cho bởi:

Chỉ số khúc xạ chuẩn

của giao thoa kế

Chỉ số khúc xạ của ống plasma

L: quãng đường truyền của sóng viba trong plasma (m)

SỰ PHỤ THUỘC GIỮA MẬT ĐỘ ELECTRON CỦA PLASMA VÀ ĐỘ DỊCH PHA

Khi tần số va chạm nhỏ hơn tần số của sóng viba, ta có phần thực của chỉ số khúc xạ trong plasma không nhiễm từ là:

c

n x x

n

ω µ

ω

Trong đó: n (x) : mật độ electron (electron/m 3 )

nc : mật độ giới hạn (mật độ cắt) (electron/m 3 )

2 0

2

e c

m n

Trong hầu hết plasma phóng điện phát sáng: n(x) << nc

(1 4)

( ) 1 ( )

2 c

n x x

Mật độ trung bình của electron trong plasma được định nghĩa

Ln cn

πν φ

0 2

4

c e

HẠN CHẾ

Vì kích thước plasma thường nhỏ hơn quãng đường tự

do của năng lượng sóng viba

 Điều này làm nhiễu hiệu ứng phản xạ và giao thoa của các bức xạ viba

Để khắc phục hạn chế này trong lò phản ứng plasma, cần dùng sóng viba có tần số 60GHz hoặc cao hơn , tuy nhiên trạng thái này rất khó tạo ra trong kỹ thuật

[ ]

2 0

Now for a plasma

Giao thoa kế microwaves

Máy phân tích sự trễ thế

năng

H.1 Sơ đồ máy phân tích sự trễ thế năng, được dùng để xác định hàm phân bố năng lượng của các ion đến bề mặt của mẫu.

3 hệ thống của máy phân tích:

- Hệ thống đẩy (repeller grid): làm vô hiệu các electron

và ion âm đến bản thu.

- Hệ thống làm trễ (retarding grid): tăng thế để đẩy các ion dương di chuyển đến collector.

- Hệ thống hủy electron (electron suppression grid): làm

vô hiệu các điện tử thứ cấp được phát ra từ collector.

H.1.2 Hình dạng hình học của máy phân tích sự trễ thế với góc

hình nón θ

Khi các ion đến lối vào của máy phân tích,và có phân bố theo vận tốc tuân theo phân bố Maxwell và đẳng hướng trong không gian vận tốc, tổng dòng ion xuyên qua khẩu độ lối vào A0 là:

0 ax

4

i i m

Theo Roth và Clark, khi dòng ion đến đồng nhất trong khỏang từ 0- θ0 và plasma

ở trạng thái ổn định, khi đó dòng ion đến bản thu của máy phân tích sự trễ thế được cho bằng:

Hình 1.3 Ví dụ đặc trưng của dữ liệu thô và fit tốt nhất thu được

từ phóng điện Penning áp suất thấp hỗn lọan với thế plasma

Vp=1623V và nhiệt độ động học ion Ti’=1905eV

Khi các ion không tuân theo phân bố Maxwell, hàm phân bố năng lượng khi đó trở thành:

M

=

Trong biểu thức (1.4) hàm phân bố ion f(V) được lấy tích phân từ thế plasma

đến thế V của máy phân tích Nếu V →∞ thì khi đó hàm phân bố sẽ được chuẩn hóa