Bài thuyết trình Đầu dò Langmuir

Bài thuyết trình Đầu dò Langmuir giới thiệu tới các bạn những nội dung về các phương pháp chẩn đoán plasma, phương pháp đầu dò điện Langmuir, công trình của Druyvestein, sử dụng định luật đồng dạng,... Với các bạn chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu hữu ích.

SVTH: Nguyễn Vũ Ty Thầy Hướng Dẫn: PGS.TS LÊ VĂN HiẾU

Tháng 7 năm 2010

Có nhiều phương pháp được sử dụng để chẩn đoán

Phương pháp này được phát minh vào đầu thế

kỷ XX bởi Mott-Smith và Langmuir

 LÝ THUYẾT CỦA DRUYVESTEIN.

Mục tiêu cuối cùng là thành lập các công thức xác định các

đặc trưng của plasma

Hàm phân bố điện tử theo năng lượng tỉ lệ với đạo hàmcấp hai của đòng đầu dò

A eV

Trong đó :

+ V=Vp: là điện thế đầu dò plasma, tính bằng Volt (V).

+f(eV) : là năng lượng điện tử, tính bằng electron-volt (eV) +ie : là dòng điện tử đến đầu dò.

 Có nhiều cách để tìm đạo hàm bậc hai của dòng đầu dò Phổ biến nhất hiện nay là sử dụng dòng điện xoay chiều với biên độ nhỏ

Nguồn xoay chiều tạo thế vi phân cho đầu dò

Giả sử điện thế xoay chiều ∆V có dạng :

∆V= acos(ωt) Với a, ω là biên độ và tần số của điện thế xoay chiều.

Dòng đầu dò được khai triển Taylor theo các mức ∆V như sau :

Đạo hàm bậc 2 dòng đầu dò có mặt trong thành phần

không đổi và cả trong thành phần điều hòa của chuỗi

sin ]

) sin

sin 2 )(

( 48

sin )

(

4

[

cos ]

cos )

( 8

) ( [

)

( 64

)

( 4

) (

) )(

(

! 2

1 )

( )

( )

(

4 2

''

4 ''

2

2 ''

3 '

''

4 ''

t V

i

a t V

i

a

t t

V i

a V

ai V

i

a V

i

a V

i

V V

i V

V i V i V

V

i

e e

e e

e e

e

e e

e e

 Nếu bỏ qua thành phần điều hòa, ta có:

)

(4

)()

4 ''

2 ''

'' 2

4 ) (

)

( 4

) ( )

(

a

i V

i

V i

a V

i V V

i i

e e

e e

e e

Để tính nồng độ điện tử ne, ta áp dụng công thức :

'' 10

10 2 , 4

dV Vi

dV i V S

i n

e

e eo

''

2 2

dV Vi

dV i V S

i e

m e

n

e

e eo

e

Khi điện thế đầu dò bằng điện thế không gian của plasma

trong đó vận tốc trung bình của điện tử được xác định

bởi công thức:

S e n

) ( 2

d f

m

Theo công thức Druyvestein thì :

''

2 2

dV Vi

dV i V S

i e

m e

n

e

e eo

e

Năng lượng trung bình của điện tử được xác định từ công

Các tích phân được tính từ diện tích hình phẳng của các

đồ thị biểu diễn sự biến thiên của các hàm số V1/2i’’

' 2 / 3

dV i

V

dV i

V

e e



Cường độ điện trường ngang trong ống phóng điện đượcxác định bởi công thức :

ống phóng điện, cách nhau một khoảng d

d U

E  12

2 2

dV Vi

dV i

V

S

i e

m e

n

e

e eo

' 2 / 1 0

' 2 / 3

dV i

V

dV i

Các giả thuyết cơ bản :

chuyển trong plasma, không tham gia vào quá trìnhmất mát năng lượng của điện tử

+ Nguyên tử Hg đóng vai trò chính trong quá trình kíchthích và ion hóa

+ tần số thay đổi điều kiện phóng điện rất nhỏ so với tần

số va chạm đàn hồi của các điện tử với các nguyên tửkhí hiếm va

Hai giả thuyết đầu phân chia vai trò của Hg và khí hiếm.Giả thuyết thứ 3 xét đến hai thành phần tách biệt chứcnăng của hàm phân bố điện tử theo vận tốc dưới dạngLơgrăngđơ:

Giả thuyết thứ tư:

) , v

( v

v )

, v ( )

, v ( t f 0 t f1 t

v

f Mv

E

e t

v

f

a a

Phương trình động học:

Thành phần đầu tiên vế phải diễn tả sự tương tác điện tử

) (

) (

f

vA v

f

t ) (v, A

v

v v

v

1

] f v

[ v v

3

v 3 v

0 0

0 2

0 1

e

2 2

1

2 2

1 0

f T f

S

m

e f

2 0

0 2

0

0 0

0 2

0

0 1

0

e 2

2

0

0 2

0 0

0 2

0

2 2 2

2

0

0 2

0 0

0 2

0

' 0

0 0

) (

)

( )]

N

f vA N

f v

A

( N

v [

v

1

)) v'

3 v

v ( v

3

v'

v v

(

v 3

v )

(

N

f T N

f

S v

x

N

f v

R N

RE v

N

f v

R N

E R m

e v m

e

N

f v

R N N

f v

R

m N

E eR N

f t

N

a a

a a

Chia 2 vế cho No2 ta được :

Nếu N0t và NopR 2 = Z1 không đổi thì f0/No

j ( ) 

E eb

r n

r

dS r

j

rdr r

2 

eE n r rdr eb

i

0

) (

)

N p b

NopR2 = Z1

Z2=iRp2 LÀ CÁC THÔNG SỐ ĐỒNG DẠNG

ne   1

0

0

ln ) 1

( ln

n n n

n N p R i

B N

ne được tính theo công thức :

} ln

) 2

( ln

) 2

(

ln )

1 ( ln

R p

N i

B n

n n

n n

n n

) 2

( ln

) 2

(

ln ln

R p

i N

Áp dụng công thức :

ER được tính theo công thức :

) )(

( C D i N0 e N0

E E

ln(

) exp{ln( C D iRp2 N0 pR2 N0pR2

- Ống phóng điện hình trụ, làm bằng thuỷ tinh khôngchứa tạp chất, ống có đường kính và bề dày đồng điều.

- Ống thuỷ tinh dùng làm ống phóng điện phải có cácđặc tính sau đây:

+ khả năng đề kháng tốt với nhiệt độ

+ bề dầy và đường kính đều đặn

+ Độ truyền qua lớn, nghĩa là khả năng hấp thụ ánh

sáng yếu

+ Khả năng hấp thụ tia tử ngoại lớn

+ Gia công hàn để nối và đưa các điện cực và các đầu dòvào ống phóng dễ dàng

Vật liệu làm đầu dò phải bền trước tác động va chạm, sựnung nóng và phản ứng hóa học Ngoài ra công thoátđiện tử phải đủ lớn để giảm đến mức tối thiểu sự phát

xạ electron thứ cấp

Các vật liệu thường được sử dụng làm đầu dò là :

Mo(Molipden),W(Vonfram), Ti(Titan)

Áp suất khí Ar : Par=1Torr Áp suất khí Ar : Par=2Torr Áp suất khí Ar : Par=3Torr

Vp Ip I’p Ip-I’p Vp Ip I’p Ip-I’p Vp Ip I’p Ip-I’p(V) 4,9.10 -5 (A) (V) 4,9.10 -5 (A) (V) 4,9.10 -5 (A)

i=20mA i=30mA i=40mA ĐƯỜNG ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CỦA DÒNG ĐẦU DÒ

Nhận xét : dạng đường đặc tuyên V-A tương đối phù hợp với lý thuyết

Áp suất khí Ar

NỒNG ĐỘ ĐiỆN TỬ

10 10 (cm -3 ) 0.9143 0.9232 0.9474 NĂNG LƯỢNG TRUNG

i=20mA i=30mA i=40mA

i=20mA i=30mA i=40mA

SỰ THAY ĐỔI NẰNG LƯỢNG ĐiỆN TỬ TRUNG BÌNH

THEO CƯỜNG ĐỘ DÒNG PHÓNG ĐỆIN

Vsp : hiệu điện thế giữa điện cực và lớp biên điện tíchkhông gian bao quanh đầu dò, còn gọi là điện thế

không gian

Vp : hiệu điện thế giữa bề mặt đầu dò và lớp biên điệntích không gian, còn gọi là điện thế đầu dò

sự chuyển động có hướng của các điện tử và dòng điệntạo bởi sự chuyển động có hướng của các ion dương

Ip = Ii + Ie

Nếu sự phân bố điện tử theo bán kính ống phóng dạng

hàm Bessel, ta có :

Với be~1/P ta có:

Vì vậy, nếu các thông số PR và i/R không đổi, tất yếu đảm

E b en

R

i  0 43  2 0e e

ER P

n e R

43





, ,

) (

P

n P

eE n r rdr eb

i

0

) (

2 