BÀI TIỂU LUẬN CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN PLASMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI ÊN TP HCM KHOA VẬT LÝ Bộ Môn VẬT LÝ ỨNG DỤNG BÀI TIỂU LUẬN CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN PLASMA PGS TS Lê Văn Hiếu HVTH: Nguyễn Đăng Khoa GVHD: L ê T hị L ụa Lý Ngọc Thủy Tiên Trần Thị Mỹ Hạnh Nguyễn Thanh Tú Tp HCM,Tháng 1/2010 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHẨN ĐOÁN PLASMA I Khái niệm plasma II Khái niệm chẩn đoán plasma III Các phương pháp chẩn đoán CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP Đ ẦU DÒ I Đầu dò từ II Đầu dò tĩnh điện Langmuir III Các loại đầu dò 13 Đầu dò phát xạ 13 Đầu dò Faraday 17 CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯ ỢNG ION 19 CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP GIAO THOA K Ế 24 CHƯƠNG V: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PH Ổ PHÁT XẠ 29 CHƯƠNG VI: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC 40 I Phương pháp quay phim t ốc độ cao 40 II Phương pháp dùng sóng vơ ến 45 III Phương pháp đo phát xạ neutron 48 Chương I: TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN PLASMA I Khái niệm plasma Plasma xem trạng thái thứ tư vật chất Vật chất tồn trạng thái xuất tính chất khác biệt so với trạng thái vật chất khác, đồng thời dạng tương tác môi trư ờng phức tạp Do việc xác định thơng số đặc trưng cho trạng thái plasma khó khăn thực thơng qua phương pháp chẩn đốn plasma II Khái niệm chẩn đoán plasma Chẩn đoán plasma nghiên cứu tượng vật lý tiến triển bên plasma, từ suy tính chất plasma Nghi ên cứu tính chất plasma mô tả tượng việc thiết lập điều kiện m plasma hình thành phát triển Tiếp theo phải phân tích tính chất plasma, tiến hành phép đo tham s ố vật lý plasma mật độ electron, mật độ ion, nhiệt độ, thành phần plasma Việc xác định hay đo đạc tham số n plasma vấn đề phức tạp Các ph ương pháp đo nhiệt độ, mật độ, thành phần plasma gọi chung phương pháp chẩn đoán plasma III Các phương pháp ch ẩn đoán plasma Vật lý thực nghiệm nghiên cứu nhiều chất khí b ình thường (khí thực) nghiên cứu plasma lại gặp phải khó khăn phức tạp vơ c ùng, việc đo đại lượng vật lý dụng cụ vật lý khác th ường cho kết khác Chính vậy, việc rút kết luận n tính chất plasma dựa vào dụng cụ đo riêng biệt sai lầm Do khơng thể dựa v kiểm tra đơn giản để đưa chẩn đốn xác tính chất plasma III Một số phương pháp chẩn đoán plasma thường áp dụng nghiên cứu plasma là:  Phương pháp đầu dò o Đầu dò tĩnh điện Langmuir o Đầu dị từ o Đầu dị sóng vơ tuyến  Phương pháp phân tích quang phổ  Phương pháp phân tích lư ợng ion  Phương pháp giao thoa  Phương pháp quay phim t ốc độ cao  Phương pháp tán xạ Thomson Chúng ta tìm hiểu chế phương pháp phạm vi ứng dụng nghiên cứu plasma Chương I: PHƯƠNG PHÁP Đ ẦU DÒ I ĐẦU DÒ TỪ TRƯỜNG Khái quát đầu dò từ trường Khi tiến hành chẩn đoán plasma, cần thiết phải biết phân bố cường độ từ trường ống phóng điện, l nhiệm vụ quan trọng phức tạp Sự thật từ trường liên hệ chặt chẽ với tính chất plasma Khi biết phân bố từ trường, ta thiết lập phân bố d ịng điện thân plasma Ngồi có th ể biết nhiệt độ plasma 2.Cấu tạo đầu dò từ Đầu dò từ trường vịng dây nhỏ đường kính vào khoảng 1mm Vịng dây giữ vững đầu ống phóng điện nhỏ thạch anh Đầu dị đưa vào miền thuộc buồng phóng điện qua chất khí Nhờ biến thiên từ trường vòng dây đầu dò cho biết điện áp, mà theo giá trị điện áp tính tốn tốc độ biến thiên cường độ từ trường buồng phóng điện Một máy dao động ký d ùng để ghi điện áp Đầu dò từ trường Hạn chế đầu dò từ Việc sử dụng đầu dị từ trường đơi khơng thể áp dụng chất tạo nên đầu dò bị bốc hơi, làm xuất tạp chất plasma Một khó khăn đầu dị ảnh hưởng đến q trình phóng điện Điều làm giảm độ xác đầu d ò từ trường II Đầu dò điện Trong số phương pháp chẩn đốn plasma, đầu dị điện xem phương pháp tiện lợi xác Đầu dò tĩnh điện Langmuir a) Cấu tạo Đầu dò tĩnh điện Langmuir sợi dây kim loại mảnh h ình trụ, bên ngồi bao bọc chất cách điện dọc theo chiều d ài, để hở mũi nhọn sợi dây gọi l đầu dị Kích thước đầu dị vào cỡ vài mm đến vài cm Cấu tạo đầu dò Langmuir b) Nguyên lý hoạt động Đầu dò đặt plasma Phần mạch ngo ài mắc thêm ampe kế vôn kế, chúng cho phép xác định phụ thuộc c ường độ dòng điện vào điện anode đầu dò Nếu ta thay đổi hiệu điện anode v đầu dò, dòng điện qua đầu dị thay đổi, nhờ ta nhận thơng tin d ịng hạt, mật độ điện tích, chuyển dịch khuyếch tán Đầu dị Anode Cathode A V Sơ đồ mạch ngồi đơn giản đầu dò Với loại đầu dò ta bỏ qua phát xạ nhiệt điện tử có cơng nhiệt điện tử lớn Do đó, c ịn gọi đầu dò lạnh dùng nghiên cứu plasma nhiệt độ thấp Nhờ chuyển động nhiệt m ình, electron không ng ừng va chạm vào bề mặt đầu dò Khi biết giá trị dòng điện bão hòa vận tốc chuyển động nhiệt electron, ta biết tham số plasma mật độ electron nhiệt độ plasma c) Ảnh hưởng đầu dò lên plasma Để đo thơng số đặc trưng plasma đầu dò phải đặt vùng plasma khảo sát Tuy nhiên, dịng đầu dị làm cho thơng số plasma thay đổi cách đáng kể V ì đặt điện trường vào, hệ plasma bị phân cực thể tích vĩ mơ, sinh dịch chuyển n điện tích để trường chúng làm chắn điện trường Do đó, kích thước đầu dị bé thơng số đo đạc xác d) Cơ sở lý thuyết phương pháp đầu dò tĩnh điện Theo lý thuyết Langmuir, mối liên hệ điện cường độ dòng điện đầu dò (còn gọi đặc trưng Volt – Ampe) thỏa mãn phân bố vận tốc hạt mang điện có dạng Maxwell i) Sự hình thành plasma - Khi đưa đầu dò vào bên plasma, đầu dị xuất vùng điện tích khơng gian electron khu ếch tán tạo ra, electron n ày kéo theo ion dương để thành lập chắn tĩnh điện làm xuất vùng điện trường vùng bao quanh đầu dị, chắn tĩnh điện lại ngăn khuếch tán tiếp electron kế tiếp, ion dương ngày tiến đến gần bề mặt đầu d ò nhiều hơn, đạt trạng thái cân d ịng điện tích vùng khơng gian bao quanh đầu dị Thế tạo cân gọi (floating potential) Vf Khi plasma cũn g đạt trạng thái cân thế, gọi plasma (plasma potential) Vp Độ chênh lệch Vs = Vp – Vf gọi bao (sheath potential) ii) Xác định dòng đến đầu dò Khi đầu dò lớn plasma V> Vp: ion dương đến đầu dị bị đẩy trở lại mơi trường plasma đồng thời electron bị hút vào đầu dò, Khi đầu dò nhỏ plasma V< Vp: ngược lại, ion dương bị hút vào đầu dị electron b ị đẩy xa đầu dị Vậy dịng qua đầu dị dòng âm dòng dương tùy thuộc vào hiệu plasma Vp với đầu dò V, dịng tổng cộng qua đầu dị khơng đầu dị V = Vf iii) Tính mật độ dòng ion đến đầu dò Trước hết ta giả thiết  Trong vùng đám mây ện tích bao quanh đầu d ị khơng có tái hợp điện tích, có nghĩa dịng ion vùng h ằng số lượng bảo tồn  Tại vị trí ranh giới v ùng trung tính với vùng khơng trung tính ( x  0) ne (0)  ne  ni (0)  ni  ns  Nồng độ electron tuân theo phân bố Bolztmann:  e(V (0)  V ( x))  ne ( x )  neo exp   (1) kTe    Nhiệt độ ion Ti ~ 0(eV) + Tại vị trí x  V  , ion có vận tốc ban đầu vs  v (0) Để xác định v(x) ta dùng định luật bảo toàn lượng: 1 M i v ( x )  M i vs2  eV ( x ) (2) 2 điều kiện bảo toàn dòng dòng (khi đầu dò âm V(d) < 0) ni ( x )v ( x )  ni 0vs (3) Từ (3) (4) ta có mật độ ion phân bố theo trục x:  2eV ( x)  ni ( x )  ni 1   M i vs2    (.5) + Từ phương trình Poisson: d 2V ( x ) e  (ns ( x)  ni ( x)) dx 0    eV ( x )   2eV ( x )   d 2V ( x ) ens   exp    1   dx 0  kTe   M iv 2s      (.6) + Giải phương trình (6) cách chuyển đại l ượng thành không thứ nguyên ta thu nghiệm điều kiện sau đ ược thỏa:  kT  vs  vB   e  (7)  Mi  Điều kiện gọi tiêu chuẩn Bohm Điều kiện có nghĩa để ion dương đến đầu dò phải có vận tốc vs  vB Tiếp theo ta xét tồn khơng gian cịn lại chứa plasma sử dụng điều kiện chuẩn trung hòa plasma ni ( x)  ne ( x) với x