Các phương pháp chẩn đoán Plasma: Bài thuyết trình chi tiết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

GVHD: PGS. TS. Lê Văn Hiếu

HVTH: Nguyễn Đăng Khoa Lê Thị Lụa Lý Ngọc Thủy Tiên Trần Thị Mỹ Hạnh Nguyễn Thanh Tú

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. • Năm 1920, Langmuir mô tả

thí nghiệm tạo ra khối cầu phát sáng có đặc tính dường như giống sét hòn.

• Năm 1924, ông đưa ra khái

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:

Z n  , e i

e i ,



2. Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích L(cid:0)

thước của miền chứa tập hợp đó: Dr

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

Quay phim tốc độ cao

Phân tích năng lượng ion

Giao thoa kế Microwaves

Plasma

Tán xạ Thomson

Tán xạ chùm laser

Đầu dò từ

Phân tích quang phổ phát xạ

Đầu dò langmuir

Các phương pháp chẩn đoán

Chẩn đoán Đầu dò langmuir

Thông số plasma Nhiệt độ plasma, nồng độ, thế plasma ..

Phân tích quang phổ phát xạ nhiệt độ, nồng độ, thành phần plasma

Chẩn 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 electron

Tán 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

1. Bức xạ gián đoạn:

• Các nguyên tử và các ion của plasma bị kích thích sẽ bức xạ photon

• Quang phổ bức xạ của chúng là những quang phổ vạch. • Phổ vạch là phổ phát xạ của 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 âm

• Trong quá trình tái hợp, các photon được bức xạ tạo ra quang phổ liên tục.

Hình ảnh của phổ mặt trời

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 độ hạt trong plasma:

• Trong plasma, nguyên tử (Ao) của một nguyên tố được kích thích từ trạng thái năng lượng thấp Eo, lên trạng thái năng lượng cao Am được biểu diễn theo phương trình:

Ao + XE = A* (a) • Sau một thời gian,nguyên tử đã bị kích thích A* trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn sẽ phát xạ ra lượng tử năng lượng:

A* = hv + Ao (b)

III. Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật độ hạt trong plasma:

• Nếu gọi Nm là số nguyên tử của nguyên tử Ao đã bị kích thích đến trạng thái năng lượng cao Am, 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).

Ia = f. (1/tm). Amo .Em. Nm ↔ I a = f. (l/t m) . A m0 .Na (gm/ g0).

- Thời gian tồn tại của nguyên tử A* ở trạng thái kích thích, (tm). - Năng lượng kích thích nguyên tử A từ trạng thái cơ bản đến trạng thái kích thích, (Em = hν). hν. exp ( -ΔEmo/k T)

- Xác suất chuyển mức của

nguyên tử A từ trạng thái kích thích năng lượng Am về trạng thái ban đầu năng lượng Eo, (Amo).

Ia chỉ phụ thuộc vào Na

I a =k N a

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.

Với: k = f. (l/t m) . A m0 (gm/ g0) hν. exp ( -ΔEmo/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:

- 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.

•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.

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:

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

Vậy: R < T4

Nhiệt độ bức xạ của vật thực:

- 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. Ta có: T ̓ 4 =b *T4 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

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 bằng cách đọc số chỉ của điện kế G

• Nếu A không phải vật đen thì nhiệt độ được chỉ là nhiệt độ bức

xạ T ̓ của vật.

• Nhiệt độ thực của A là T với T được tính theo biểu thức

Đầu dò từ

Cấu tạo: • Đầu dò từ trường là

một vòng dây rất nhỏ đường kính chỉ vào khoảng 1mm

• Vòng dây được giữ

vững ở đầu ống phóng điện nhỏ bằng thạch anh.

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 phóng điện •Khi biết sự phân bố từ trường, ta có thể thiết lập sự phân bố dòng điện trong plasma. •Ngoài ra có thể biết được cả nhiệt độ của plasma.

Nhược điểm đầu dò bị bốc hơi, làm xuất hiện những tạp chất trong plasma.

Langmuir Probes

Measurable parameters • electron temperature • plasma density • electron energy distribution function • floating potential • plasma potential

wire

plasma

insulator

Voltage Generator

Cấu tạo đầu dò Langmuir

Lớp điện môi

Là một sợi dây kim

Thép không gỉ

Sợi dây kim loại mảnh làm bằng Tungsten hay Modylen,

loại mảnh hình trụ, bên ngoài được bao bọc bởi chất cách điện dọc theo chiều dài, chỉ để hở mũi nhọn của sợi dây gọi là đầu dò. Kích thước đầu dò vào cỡ vài mm đến vài cm.

Sơ đồ mắc mạch

 Điều chỉnh biến trở → Uanode-đầu dò thay đổi → Iđầu dò thay đổi Ampe kế và Vôn kế xác định sự phụ thuộc của Iđầu dò vào Uanode-đầu dò → Các đặc trưng của plasma (ne, Te)

Sơ đồ hệ thống chẩn đoán dùng đầu dò langmuir

• Ramp Voltage is applied to the plasma and the V/I characteristic is recorded using an oscilloscope.

Voltage

•

• 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.

Power - 

Plasma

amp

Ramp

• These characteristics are important for setting the plasma process parameters.

Current

Current Sensing Resistor

Y X

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  Plasma DC: Vp = const  Plasma RF: Vp = Vp(t)

Mối liên hệ giữa thế bao (Vs), thế nổi (Vf) và thế plasma (Vp): Vp = Vs + Vf

V > Vp

V < Vp

I > 0

I < 0

Giả sử, thế đầu dò là thế âm, ta sẽ xác định nồng độ ion trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò.

Tiêu chuẩn Bohm  Trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò không có tái hợp giữa các điện tích.

(0)



n e

n i

n s

V x

( ))

e V (

(0)

exp



n x ( ) e

n eo

 Ti ≈ 0

 kT e

 Tại biên phân cách giữa vùng trung tính và vùng không trung tính (x = 0): n  i  Nồng độ e tuân theo phân bố Bolztmann:   

    

V = 0 x = 0

Mật độ dòng e đến đầu dò:





 dvEef





min





 Ve

  

   0

1 2

vm e

1 2





en 0



m e  2 kT e

kT e

  

  

min

   exp  

    

Mật độ dòng ion đến đầu dò:

1 2

 e V





exp

n e 0

 V

p kT e

1 2



Trong đó:

 e V





exp

(*’)

n e v 0

8 m e  kT e

  

  

1 4

p kT e

    

    

m e  2 kT e                

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

Trong đó:





 Ve





exp



 i

venA 0

ven 0

1 2

1 4

  

  





p kT e  Ve

A là tiết diện của đầu dò



1 

exp



ven 0

1 2

2 M  m e

p kT e

  

  

  

  

  

  

Đường đặc trưng Volt - Ampere

Cường độ dòng điện (μA)

Thế plasma Vp

Thế nổi Vf

Miền A: Khi V > Vp, không tồn tại màn chắn điện bao quanh đầu dò, dòng I → Ibão hòa = Ie bão hòa. Đầu dò có thể thay thế cho anode hút các dòng điện tích.

Điện thế

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

1 2







n 0

1 4

8 kT e  m e

  

  

Cường độ dòng điện (μA)

Thế plasma Vp

Thế nổi Vf

 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.

Điện thế



 V



kT e e

Nhiệt độ e:

f 2 M  m e

  

 p   

Cường độ dòng điện (μA)

Thế plasma Vp

Thế nổi Vf

 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.

Điện thế

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 đầu dò). Phương trình cân bằng của dòng ion:

I 

Aen

v 00

1 2

Iion bão hòa << Ie bão hòa do Mi >> me

Cường độ dòng điện (μA)

Thế plasma Vp

Thế nổi Vf

Điện thế

 V < Vp : Ie thay đổi theo quy luật hàm mũ (giả thiết hàm phân bố của e là Maxwell-Boltzmann).  V > Vp: Ie vẫn tiếp tục tăng nhưng bị giới hạn bởi màn chắn plasma

 V = Vp thì đường đặc trưng V – A có độ cong lớn nhất. Vì thế để xác định thế plasma ta dựa vào điều kiện sau: I”(Vp) = I”max hoặc I”(Vp) = 0 (Tiêu chuẩn Druyvesteyn).

Xác định các đặc trưng của plasma

Nhiệt độ e Từ biểu thức xác định dòng electron đến đầu dò:

1 2



 Ve





eAn

exp



p kT e

 kT  e 0  2 m  e

  

  

Trong đó:

Lấy ln hai vế:

1 2



1 2

 Ve







eAn 0



eAn

kT e  m 2

p kT e

  

  

  exp 

  

kT e  m

    

  0 2 

  

1 2



 Ve





eAn

kT e  m 2

p kT e

   

  

         

    

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

    VVe 

   





kT e  VVe 



ln 



(*)

kT e

VV 





(**)

kT e e

p ln I



I I

   

p    

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 (*)

Độ dốc hay hệ số góc của đường thẳng này là

kTe e

Dodoc

  tg



kT e e

Từ đây, ta xác định được nhiệt độ của electron trong plasma:



 etg k

Đường đặc trưng Volt – Ampe trong hệ semi-logarith lnI = f(V)

Nồng độ e hay ion dương

Từ biểu thức tính cường độ dòng electron bão hòa:

1 2



eAn

kT e  m

  0 2 

  

Với nhiệt độ electron trong plasma đã xác định ở trên, ta có thể tính được nồng độ electron (hay ion) trong plasma:



1 2

kT e  2 m e

  eA 

  

Typical Langmuir Probe I-V Curves

floating potential

full I-V curve

Density from ion saturation

temperature fitting

plasma potential

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ (Emissive probe)

1. CẤU TRÚC

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

2. Hoạt động.

 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.



)

• 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:   I i

I V ( p Dòng phát xạ:



2 exp A A T  em

  

 e   k T   B Với Aem là diện tích phát xạ ,

là công thoát điện tử bề mặt đầu dò.

A* là hằng số Richardson, Tω là nhiệt độ của đầu dò w

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

Phương pháp đo:

Để đo thế plasma với đầu dò phát xạ người ta dùng 2 phương pháp chính: Phương pháp thế uốn Phương pháp thế nổi

Phương pháp thế uốn:

• Nguyên tắc của

phương pháp này là dựa trên việc xác định trực tiếp thế plasma từ đường đặc trưng đầu dò phát xạ. Thế 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.

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

300-600 V

Idis

Vdis

P L A S M A

Vpr

Ipr

-30-30 V

Sơ đồ mạch điện đầu dò trong plasma

ĐẦU DÒ FARADAY (Faraday probe) Đầu dò Faraday là một dụng cụ để đo mật độ dòng điện Các loại đầu dò:

ĐẦU DÒ FARADAY

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

ĐẦU DÒ FARADAY

• Vòng bảo vệ

Dùng để che chắn vành góp khỏi các ion năng lượng thấp đến từ đường phía bên ngoài vành góp.

ĐẦU DÒ FARADAY

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

j =

V RA

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:

Với : R là điện trở trong mạch A là tiết diện đầu dò

Đầu dò Faraday trong LVTF

ĐẦU DÒ FARADAY

Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của mật độ dòng vào vị trí góc

GIAO THOA KẾ VIBA

(MICROWAVE INTERFEROMETRY)

GIỚI THIỆU CHUNG

Công dụng:

Đo mật độ electron của dòng plasma phát sáng DC (Direct Current) và RF (radio frequency)

Ưu điểm:

Không làm xáo trộn, và gây ra những hiệu ứng không đáng kể trên plasma

Nguyên tắc:

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

SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG

GIAO THOA KẾ MACH - ZEHNDER

Gương

Detector

Gương bán mạ

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

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

  



  1

   x dx 



 2 

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)

rad (1.1)

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

2 



(1. 2)











  x

pe 2 

 n x n c

Trong đó:

n (x) : mật độ electron (electron/m3)

nc : mật độ giới hạn (mật độ cắt) (electron/m3)

(1. 3)



n c

2   m e 2 e

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:

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

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

(1. 4)



     x

    x

  n x n 2 c

  n x n c

Thay 1.4 vào 1.1 ta được:

(1. 5)

  



  n x dx



  n c

 cn c

: là tần số của bức xạ viba (Hz)



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

Mật độ trung bình của electron trong plasma được định nghĩa

(1. 6)



  n x dx

1 L  L

Thay 1.6 vào 1.5 ta có:

Ln e

(1. 7)

 

 cn c

(1. 8)



  





n e

cn c   L

   4 c m 0 2 Le

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.

Giao thoa kế

and



E

sin

E



Consider these two beams of electromagnetic radiation      t

  t

E 1

they give a resultant electric field



sin

E



t

 When combined with a phase difference 

   

 2 cos

 

t

When these combine

d beams fall on a square-law detector the output

of the detector

higher-order terms





  1 cos

 

outV

E 02

The phase shift of a beam of EM radiation passing through a plasm



where









k d



k

d





 c

2  

 The phase difference measured by an interferometer









k





 

d



 1

plasma



 k d 0



 c

Now for a plasma

2 









2 2   p

n e e

2   m 0

now for

(usual case for this diagnostic)



n e e

2   m 0

so that













n e e

2   m 0

n e e

2   m 0

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

 

pV

 eA n v i 0 i 4

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:







   I V I i m

V-V p ' T i

 2  V-V sec p 0 ' T i

   

 2   c os exp -  0  

    exp -     

        

(1.2)

, 0

0  

pV

Khi vecto v > bán cầu và θ0 =π/2, ta có

p





(1.3)

a x

V -V '

 e x p -   

   

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:

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:

(1.4)

f V dV ( )

pV V 

 I V I ( ) i m



V p

  1  

  

Khi đó Imax cho bởi công thức



(1.5)

axm

 n ev i i

 v i

Với

m/s

(1.6)

' 2 eE i 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



f V dV )

(



1.0

(1.7)



f V ( )

(1.8)

( ) dI V i dV

hàm phân bố của bản thân các ion f(V) có thể thu được bằng cách lấy vi phân biểu thức ( 1.7), ta được 1  I m ax

Về phương diện thương mại, máy phân tích thế trễ thường

được trang bị thêm phần mềm để thực hiện các phép tóan vi phân bao

gồm cả biểu thức (1.8) và vẽ kết quả hàm phân bố năng lượng ion.

Để góp phần hiểu rõ hơn các hàm phân bố năng lượng ion ,

bốn vị dụ điển hình được mô trong hình 1.4 .

Hình 1.4 Các ví dụ mô tả các hàm phân bố năng lượng ion được lấy tích phân thu được từ máy phân tích sự trễ thế năng, trong đó cột bên tay trái là hàm phân bố năng lượng ion và cột bên tay phải là hàm phân bố được lấy tích phân.

Bộ phân tích năng lượng dùng bản cong

◙ Là phương pháp phân tích năng lượng ion dùng khối phổ kế.

◙Cho biết thông tin về hàm phân bố năng lượng và hàm phân bố khối lượng của các ion từ khối plasma

KHỐI PHỔ KẾ Là dụng cụ để tách các hạt chất bị ion hóa theo khối

Buồng ion hóa

Bộ phân tích

Ion detector

Hệ thống xử lý dữ liệuệ

Khối phổ

Buồng chân không

lượng của chúng ,hoạt dộng dựa trên tác dụng của điện trường hoặc từ trường lên chùm ion bay trong không gian

KHỐI PHỔ KẾ BỘ PHÂN TÍCH:

CÁC LOẠI BỘ PHÂN TÍCH: ◙ Bộ phân tích từ: có độ phân giải lớn nhưng cồng kềnh ◙ Bộ phân tích tứ cực: có độ phân giải đủ lớn,cấu trúc gọn nhẹ ◙ Bộ phân tích theo thời gian bay: có cấu trúc gọn nhẹ nhưng độ phân giải thấp ◙ Bộ phân tích cộng hưởng ion cyclotron: không được sử dụng phổ biến

◙ Là bộ phận phân ly các ion có khối lượng khác nhau thành từng phần dựa vào sự làm chệch hướng của các ion so với quỹ đạo ban đầu của chúng khi đi vào điện,từ trường tùy theo tỉ số m/z (mass/charge). ◙ Điểm mấu chốt của kĩ thuật là: độ phân giải tốt,phép đo khối lượng chính xác,nhạy

BỘ PHÂN TÍCH TỨ CỰC

-(U+Vcosωt)

◙ Cấu tạo: gồm có 4 trục ,được đặt song song từng đôi một.

+(U+Vcosωt)

U:điện thế một chiều V: điện thế xoay chiều

◙ Hoạt động: như bộ lọc khối ,vận hành bằng cách kết hợp thế DC và RF.Chỉ cho dòng ion có quỹ đạo ổn định,cùng tỉ số m/z đến detector tại một thời điểm.

TỨ CỰC CÓ KHẢ NĂNG THAY ĐỔI CHẾ ĐỘ TRUYỀN

mass scanning mode U/V = const

m2 m2

single mass transmission mode U,V= const,thay đổi ω

NGUYÊN TẮC CHẨN ĐOÁN

◙ Trong plasma,1 số các ion dương được gia tốc,vượt ra khỏi miền bao plasma và đi vào một khẩu độ nhỏ ,đến cặp bản cong đặt song song với nhau

◙ Các ion này chuyển động trong điện trường giữa 2 bản cong

◙ Chỉ có các ion chuyển động theo đường cong chính giữa 2 bản cong đi qua khe thoát đến detector

XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG ION ◙ Điện trường giữa 2 bản cong tác dụng lực lên các ion làm chúng chuyển động theo quỹ đạo cong,lúc này lực điện trường đóng vai trò lực hướng tâm:

◙ Điện trường xuyên tâm Er giữa 2 bản cong có bán kính cong trung bình R xấp xỉ bằng điện trường giữa 2 bản tụ song song cách nhau một khoảng d,và hiệu điện thế giữa 2 bản tụ 2VA

◙Năng lượng Joule của các ion có khối lượng M, vận tốc vi

◙Thế pt (1),(2) vào (3),ta có:

(eV) : Năng lượng ion với điện thế DC áp vào 2 bản cong

Tỉ lệ với: ◙ Điện thế áp vào các bản cong

◙ Dạng hình học của các bản cong

PHÉP ĐO TRỰC TIẾP HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÙNG BỘ PHÂN TÍCH

PHÉP ĐO HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG DÙNG BỘ PHÂN TÍCH TỨ CỰC

Một số phương pháp chẩn đoán khác

Tán xạ Thomson

Quang phổ khả kiến

Quang phổ hấp thụ

Tán xạ chùm laser

Quay phim tốc độ cao

DÙNG MÁY QUAY PHIM TỐC ĐỘ CAO ĐỂ CHẨN ĐOÁN PLASMA

CẤU TẠO: • Hệ thấu kính hội

tụ Tấm chắn • • Gương quay • Màn phim

Tán xạ Thomson

Thomson scattering is scattering off free electrons in the plasma. The electrons are set oscillating by the incoming laser beam, and then radiate as dipole radiators.

The intensity of the scattered radiation gives the electron density, the double-Doppler broadening of the scattered radiation gives the electron temperature.

The ITER LIDAR Thomson scattering system

Optical Spectroscopy - the least intrusive in-situ plasma diagnostics

Plasma spectra

Particle

Degree of freedom Type of spectrum Spectral region

Atom or ionElectronic excitation

Line

UV-visible-IR

Electrons

Molecules

Ionization Translation Recombination Free-free transition Rotation Vibration-rotation Electronic excitation

Continuum Line profiles Continuum Continuum Line band band systems

UV-visible IR Far-infrared IR UV-visible-IR

• Optical emission spectroscopy

• Actinometry

• Absorption spectroscopy • Laser Induced Fluorescence (LIF)

Optical Emission Spectroscopy

• Optical emission comes from the excited, emitting species generated by

• electron impact excitation and dissociation • ion impact process • Experimental setup for OES

Monochramator

Photomultiplier

Plasma

Amplifier

Recorder

Grating

Optical fiber

• Identification of ions : mostly  < 200 nm, monochromator should be under vacuum (vacuum UV ;  < 110 nm), need spectrometer resolution of 0.1 to 1 nm (1m focal length -> 0.01 nm resolution, Fabre-Perot interferometer ~ 0.0005 nm resolution

Optical Emission Spectroscopy

• Difficulties



• the extreme complexity of emission spectra • the dependency of the optical emission intensity on the ability of the plasma to excite the ground state species into electronically excited emitting species

Concentration of reactive species

F r F i

• Actinometry : A small quantity (1-2 %) of an inert gas, called as actinometer, is mixed into the gas fed to the plasma without affecting plasma parameters. If the quantum yield and the cross section of the reactive and inert species have the same energy dependence, the following relation exists; I r I i

Emission intensity of inert gas

• Electron temperature or electron energy distribution can be obtained from the line ratio measurements.

Absorption Spectroscopy

-σnl

Advantages:

I  r

• Absorption spectroscopy can supplement the optical emission diagnostics which are limited the the existing excited species. • Requires higher resolution to overcome background radiation. • Easy implementation eI ro

by adding an external light source • Continuum light sources for diatomic and polyatomic species

• UV range of 160-350 nm : deuterium lamp • visible region : tungsten lamp

Disadvantages:

• Requires vacuum ultraviolet sources for many elements of interest • Low sensitivity in the infrared region of the spectrum • Spectrums of multi-component mixtures can overlap

Laser Induced Fluorescence (LIF)

power meter

Plasma

Diode or Dye Laser

beam dump

collection optics

Detector

fiber bundle

• Dye laser pumped by either an excimer laser (330-900 nm) or a Nd- YAG laser (~380-900 nm) are highest in peak power and are most common tunable pulsed sources. • High sensitivity and selectivity • LIF measures Time- and space-resolved ion distribution functions • Disadvantages : limited available tunable laser sources, complex apparatus and operations

Visible spectrometer

•

[Objectives] To observe spectral lines, bands and their spatial profile for study of atomic and molecular processes in the divertor plasmas.

•

http://www-jt60.naka.jaeri.go.jp/diag/html/diag_30.html

[Diagnostic method] Emission collimated with lenses is transmitted through 16 optical fibers from the torus hall to a diagnostic room. The light from the optical fibers is dispersed with the spectrometer and the image- intensified CCD camera observes the image of the fibers.