CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN PLASMA - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.pdf) (49 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Khoa học tự nhiên
>>
3. Vật lý

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN PLASMA

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.21 MB, 49 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI ÊN TP HCMKHOA VẬT LÝBộ Môn VẬT LÝ ỨNG DỤNGBÀI TIỂU LUẬNCÁC PHƯƠNG PHÁPCHẨN ĐOÁN PLASMAPGS. TS. Lê Văn HiếuHVTH: Nguyễn Đăng KhoaGVHD:L ê T hị L ụaLý Ngọc Thủy TiênTrần Thị Mỹ HạnhNguyễn Thanh TúTp. HCM,Tháng 1/2010MỤC LỤCCHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHẨN ĐOÁN PLASMAI. Khái niệm plasma ................................ ................................ ................ 2II. Khái niệm chẩn đoán plasma ................................ .............................. 2III. Các phương pháp chẩn đoán ................................ ............................. 2CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP Đ ẦU DÒI. Đầu dò từ................................ ................................ ............................. 4II. Đầu dò tĩnh điện Langmuir................................ ................................ . 5III. Các loại đầu dò ................................ ................................ ................ 131. Đầu dò phát xạ ................................ ................................ ............... 132. Đầu dò Faraday ................................ ................................ .............. 17CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯ ỢNG ION .. 19CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP GIAO THOA K Ế.............................. 24CHƯƠNG V: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PH Ổ PHÁT XẠ............ 29CHƯƠNG VI: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC ................................ ..... 40I. Phương pháp quay phim t ốc độ cao ................................ ................... 40II. Phương pháp dùng sóng vô tuy ến................................ ..................... 45III. Phương pháp đo phát xạ neutron............................................................... 481Chương I: TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN PLASMAI. Khái niệm plasmaPlasma được xem là trạng thái thứ tư của vật chất. Vật chất khi tồn tại ở trạng tháinày xuất hiện các tính chất rất khác biệt so với các trạng thái vật chất khác, đồng thờicác dạng tương tác trong môi trư ờng này rất phức tạp. Do đó việc xác định các thôngsố đặc trưng cho trạng thái plasma là rất khó khăn và được thực hiện thông qua cácphương pháp chẩn đoán plasma.II. Khái niệm chẩn đoán plasmaChẩn đoán plasma là nghiên cứu các hiện tượng vật lý tiến triển bên trong plasma,từ đó suy ra các tính chất của plasma. Nghi ên cứu các tính chất của plasma bắt đầu từsự mô tả các hiện tượng và việc thiết lập những điều kiện m à trong đó plasma có thểđược hình thành và phát triển. Tiếp theo là phải phân tích các tính chất của plasma, vàtiến hành các phép đo các tham s ố vật lý của plasma như mật độ electron, mật độ ion,nhiệt độ, thành phần plasma. Việc xác định hay đo đạc bất kỳ tham số n ào của plasmacũng là vấn đề rất phức tạp. Các ph ương pháp đo nhiệt độ, mật độ, thành phần củaplasma gọi chung là các phương pháp chẩn đoán plasma.III. Các phương pháp ch ẩn đoán plasmaVật lý thực nghiệm đã nghiên cứu rất nhiều về các chất khí b ình thường (khí thực)nhưng khi nghiên cứu plasma lại gặp phải những khó khăn phức tạp vô c ùng, như việccùng đo một đại lượng vật lý bằng những dụng cụ vật lý khác nhau th ường cho kết quảkhác nhau. Chính vì vậy, việc rút ra một kết luận n ào đấy về một tính chất của plasmachỉ dựa vào một dụng cụ đo riêng biệt là sai lầm. Do đó không thể chỉ dựa v ào sự kiểmtra đơn giản để đưa ra một sự chẩn đoán chính xác về tính chất của plasma.2III. Một số phương pháp chẩn đoán plasma thường được áp dụngtrong nghiên cứu plasma là: Phương pháp đầu dòo Đầu dò tĩnh điện Langmuiro Đầu dò từo Đầu dò sóng vô tuyến Phương pháp phân tích quang phổ Phương pháp phân tích năng lư ợng ion Phương pháp giao thoa Phương pháp quay phim t ốc độ cao Phương pháp tán xạ ThomsonChúng ta sẽ tìm hiểu cơ chế của từng phương pháp và phạm vi ứng dụng của nótrong nghiên cứu plasma.3Chương I: PHƯƠNG PHÁP Đ ẦU DÒI. ĐẦU DÒ TỪ TRƯỜNG1. Khái quát về đầu dò từ trườngKhi tiến hành chẩn đoán plasma, cần thiết phải biết được sự phân bố cường độtừ trường trong ống phóng điện, đó l à nhiệm vụ rất quan trọng và phức tạp. Sự thật làtừ trường liên hệ chặt chẽ với các tính chất của plasma.Khi biết sự phân bố từ trường, ta có thể thiết lập sự phân bố d òng điện trong bảnthân plasma. Ngoài ra có th ể biết được cả nhiệt độ của plasma.2.Cấu tạo đầu dò từĐầu dò từ trường là một vòng dây rất nhỏ đường kính chỉ vào khoảng 1mm. Vòngdây được giữ vững ở đầu ống phóng điện nhỏ bằng thạch anh.Đầu dò đó có thể đưa vào một miền bất kỳ nào thuộc buồng phóng điện qua chấtkhí. Nhờ sự biến thiên từ trường trong vòng dây của đầu dò sẽ cho biết điện áp, màtheo giá trị của điện áp có thể tính toán được tốc độ biến thiên của cường độ từ trườngtrong buồng phóng điện. Một máy dao động ký d ùng để ghi điện áp này.Đầu dò từ trường3. Hạn chế của đầu dò từViệc sử dụng đầu dò từ trường đôi khi không thể áp dụng được khi các chất tạo nênđầu dò bị bốc hơi, làm xuất hiện những tạp chất trong plasma.4Một khó khăn rất cơ bản nữa là các đầu dò ảnh hưởng đến quá trình của sự phóngđiện. Điều này làm giảm độ chính xác của đầu d ò từ trường.5II. Đầu dò điệnTrong số các phương pháp chẩn đoán plasma, đầu dò điện được xem là phươngpháp tiện lợi và chính xác nhất.1. Đầu dò tĩnh điện Langmuira) Cấu tạoĐầu dò tĩnh điện Langmuir là một sợi dây kim loại mảnh h ình trụ, bên ngoài đượcbao bọc bởi chất cách điện dọc theo chiều d ài, chỉ để hở mũi nhọn của sợi dây gọi l àđầu dò. Kích thước đầu dò vào cỡ vài mm đến vài cm.Cấu tạo đầu dò Langmuirb) Nguyên lý hoạt độngĐầu dò được đặt trong plasma. Phần mạch ngo ài mắc thêm một ampe kế và mộtvôn kế, chúng cho phép xác định sự phụ thuộc của c ường độ dòng điện vào điện thếgiữa anode và đầu dò.Nếu ta thay đổi hiệu điện thế giữa anode v à đầu dò, dòng điện qua đầu dò cũng sẽthay đổi, nhờ đó ta nhận được những thông tin về d òng hạt, mật độ điện tích, sựchuyển dịch và khuyếch tán.6Đầu dòAnodeCathodeAVSơ đồ mạch ngoài đơn giản của đầu dòVới loại đầu dò này ta có thể bỏ qua sự phát xạ nhiệt điện tử của nó do có côngthoát nhiệt điện tử khá lớn. Do đó, nó c òn được gọi là đầu dò lạnh và dùng trongnghiên cứu plasma nhiệt độ thấp.Nhờ chuyển động nhiệt của m ình, các electron không ng ừng va chạm vào bề mặtcủa đầu dò. Khi biết giá trị dòng điện bão hòa và vận tốc chuyển động nhiệt của cácelectron, ta có thể biết được các tham số cơ bản của plasma như mật độ electron vànhiệt độ của plasma.c) Ảnh hưởng của đầu dò lên plasmaĐể đo được các thông số đặc trưng của plasma thì đầu dò phải đặt trong vùngplasma khảo sát. Tuy nhiên, dòng đầu dò có thể làm cho các thông số của plasma thayđổi một cách đáng kể. V ì khi đặt điện trường ngoài vào, hệ plasma sẽ bị phân cựctrong thể tích vĩ mô, sinh ra một sự dịch chuyển n ào đó của điện tích để trường củachúng làm màn chắn điện trường ngoài. Do đó, kích thước của đầu dò càng bé thì cácthông số đo đạc càng chính xác.d) Cơ sở lý thuyết của phương pháp đầu dò tĩnh điệnTheo lý thuyết của Langmuir, mối liên hệ giữa điện thế và cường độ dòng điện củađầu dò (còn gọi là đặc trưng Volt – Ampe) chỉ thỏa mãn khi phân bố vận tốc hạt mangđiện có dạng Maxwell.i) Sự hình thành thế nổi và thế plasma7- Khi đưa đầu dò vào bên trong plasma, trên đầu dò cũng xuất hiện vùng điện tíchkhơng gian do các electron khu ếch tán tạo ra, các electron n ày sẽ kéo theo các iondương để thành lập màn chắn tĩnh điện làm xuất hiện vùng điện trường ở vùng baoquanh đầu dò, chính màn chắn tĩnh điện này lại ngăn các sự khuếch tán tiếp của cácelectron kế tiếp, trong khi các ion dương ngày càng tiến đến gần bề mặt đầu d ò mộtnhiều hơn, cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng về d òng điện tích trong vùngkhơng gian bao quanh đầu dò.Thế tạo ra được sự cân bằng này gọi là thế nổi (floating potential) VfKhi đó trong plasma cũn g đạt được trạng thái cân bằng về thế, thế đó được gọilà thế plasma (plasma potential) Vp .Độ chênh lệch Vs = Vp – Vf được gọi là thế bao (sheath potential).ii) Xác định dòng đi đến đầu dòKhi thế đầu dò lớn hơn thế plasma V> Vp: các ion dương đến đầu dò sẽ bị đẩy trởlại mơi trường plasma đồng thời các electron bị hút vào đầu dò,Khi thế đầu dò nhỏ hơn thế plasma V< Vp: thì ngược lại, các ion dương bị hút vàođầu dò trong khi đó các electron b ị đẩy ra xa đầu dò.Vậy dòng qua đầu dò có thể là dòng âm hoặc dòng dương là tùy thuộc vào hiệu thếplasma Vp với đầu dò V, khi dòng tổng cộng qua đầu dò bằng khơng thì thế đầu dò bằng thếnổi V = Vf.iii) Tính mật độ dòng của ion đến đầu dòTrước hết ta giả thiết Trong vùng đám mây đi ện tích bao quanh đầu d ò khơng có tái hợp giữa cácđiện tích, nó có nghĩa là dòng ion trong vùng này là h ằng số và năng lượng của nóđược bảo tồn.Tại vị trí ranh giới giữa v ùng trung tính với vùng khơng trung tính ( x  0) thìne (0)  ne 0  ni (0)  ni 0  nsNồng độ của electron tn theo phân bố Bolztmann:8 e(V (0)  V ( x)) ne ( x )  neo exp  (1)kTeNhiệt độ của ion Ti ~ 0(eV)+ Tại vị trí x  0 thì V  0 , các ion có vận tốc ban đầu vs  v (0) Để xác định v(x) tadùng định luật bảo toàn năng lượng:11M i v 2 ( x )  M i vs2  eV ( x ) (2)22và điều kiện bảo toàn dòng của dòng (khi thế đầu dò là âm V(d) < 0)ni ( x )v ( x )  ni 0vs(3)Từ (3) và (4) ta có mật độ ion phân bố theo trục x: 2eV ( x) ni ( x )  ni 0 1 M i vs2 12(.5)+ Từ phương trình Poisson:d 2V ( x ) e (ns ( x)  ni ( x))dx 201 eV ( x )   2eV ( x )  2 d 2V ( x ) ens exp   1 dx 20 kTe  M iv 2s  (.6)+ Giải phương trình (6) bằng cách chuyển các đại l ượng thành không thứnguyên ta thu được nghiệm duy nhất của nó khi điều kiện sau đây đ ược thỏa: kT vs  vB   e  (7) Mi Điều kiện trên được gọi là tiêu chuẩn Bohm. Điều kiện này có nghĩa rằng đểcác ion dương đến được đầu dò nó phải có vận tốc vs  vBTiếp theo ta xét trong toàn không gian còn lại chứa plasma và sử dụng điều kiệnchuẩn trung hòa của plasma ni ( x)  ne ( x) với x