TR TR
ƯỜ ƯỜ
NG Đ I H C KHOA H C T Ọ Ự NG Đ I H C KHOA H C T Ọ Ự
Ạ Ọ Ạ Ọ
NHIÊN NHIÊN KHOA V T LÝ Ậ KHOA V T LÝ Ậ B MÔN V T LÝ NG D NG B MÔN V T LÝ NG D NG
Ộ Ộ Ứ Ứ Ụ Ụ Ậ Ậ
PGS. TS. Lê Văn Hi uế GVHDGVHD:: PGS. TS. Lê Văn Hi uế
ủ ủ ị ỹ ạ ị ỹ ạ
ầ ầ
Nguy n Đăng Khoa HVTH: Nguy n Đăng Khoa ễ HVTH: ễ Lê Th L a ị ụ Lê Th L a ị ụ Lý Ng c Th y Tiên Lý Ng c Th y Tiên ọ ọ Tr n Th M H nh Tr n Th M H nh Nguy n Thanh Tú Nguy n Thanh Tú ễ ễ
i:
Đ a ch b n đã t ỉ ạ
ị
ả
http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html
N i b n có th th o lu n:
ể ả
ơ ạ
ậ
http://myyagy.com/mientay/
D ch tài li u tr c tuy n mi n phí
ự
ệ
ế
ễ
ị
:
http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html
D án d ch h c li u m
ự
ệ
ọ
ị
ở:
http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html
Liên h v i ng
i qu n lí trang web
ệ ớ
ườ
ả
:
Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com
Gmail: frbwrthes@gmail.com
Ị
L CH S PHÁT TRI N VL PLASMA • 1845:t
Ể c phát bi u v i ý ể
ươ
ừ
ớ
Ử “Plasma” đ nghĩa sinh v t h c ậ ọ
ấ
ọ
ở
tr ng thái d n đi n là plasma
• 1923: Langmuir và Tolk g i ch t khí ệ
ạ
ẫ
• 1667,nhà bác h c ọ Floreltre phát hi n ra
ệ
ệ
ng n l a đèn có tính d n đi n. Volt ng
ệ
ọ ử • 1698,ti n sĩ ế ệ ượ
ẫ i Anh phát hi n ườ ử
ệ
ứ
ủ
ệ
ng phóng tia l a đi n trong không hi n t khí khi nghiên c u s nhi m đi n c a h ổ ễ ự phách ầ
ư Pétro đã phát
• Đ u th k XIX,giáo s ế ỉ minh ra h quang ồ
•
ầ
ọ ề ạ
c coi là
ứ i đ ườ ượ
thí
Irving Langmuir (1881 -1957) là nhà khoa h c M ỹ đ u tiên nghiên c u v tr ng thái plasma, ng cha đ c a v t lý plasma. ậ ẻ ủ • Năm 1920, Langmuir mô t ả
ệ
ố ầ ườ
nghi m t o ra kh i c u phát ạ ng nh sáng có đ c tính d ư ặ gi ng sét hòn.
ố
• Năm 1924, ông đ a ra khái
ư
ệ
ng pháp ch n
và phát ni m nhi t đ đi n t ệ ộ ệ ử minh ra ph ẩ ươ t đ đoán m t đ và nhi ệ ộ ậ ộ plasma b ng đ u dò đi n. ệ ằ
ầ
ộ
ằ
ậ
ể
ộ
ấ
• Năm 1940, Hannes Alfvén đã ch ng ứ minh r ng m t lo i ạ chuy n đ ng t p th ể ộ m i, g i là “sóng t - ọ ớ ừ th y đ ng l c h c” có ủ ọ ự ộ c sinh ra th đ ể ượ trong các h plasma. ệ Các sóng này đóng m t vai trò quan tr ng ọ xác đ nh tính ch t ị c a plasma. ủ
KHÁI NI M PLASMA
Ệ
ị
ủ
ợ
ạ
ạ
Theo đ nh nghĩa c a Langmuir, plasma là “m t t p ộ ậ h p” các h t mang đi n và các h t trung hòa ệ ph i th a mãn: ỏ ệ
ả ề
ầ
1. Đi u ki n g n trung hòa: Z n (cid:0)
0
e i ,
e i ,
ỏ ơ
th
ề ầ ợ
ướ ủ
ề
2. Bán kính Debye ph i nhi u l n nh h n kích ả c c a mi n ch a t p h p đó: ứ ậ L=
Dr
(cid:0)
M t s d ng Plasma
ộ ố ạ
T NG QUAN V CH N ĐOÁN PLASMA
Ổ
Ẩ
Ề
• Ch n đoán plasma là nghiên c u các hi n t
ệ ượ
ứ
ế
đó suy ra các tính ch t c a
ừ
ng v t lý ti n ậ ấ ủ
ẩ ể
ng pháp ch n đoán plasma là các ph
ng pháp đo
ẩ
ươ
• Ph nhi
t đ , m t đ , thành ph n plasma.
tri n bên trong plasma, t plasma. ươ ệ ộ
ậ ộ
ầ
ế ậ
t l p mô hình lý thuy t ế ng pháp khác ề
ả ế
ươ
nhau trên cùng m t đ i t
ằ ng
• Khó khăn trong vi c thi ệ • Ph i ti n hành ch n đoán b ng nhi u ph ẩ ộ ố ượ
ụ
ẩ
Ví d ch n đoán plasma trong tokamak
ố
Quay phim t c đ ộ cao
ng ion
Phân tích năng l ượ
Giao thoa k ế Microwaves
Plasma
Tán x ạ Thomson
Tán x chùm ạ laser
Đ u dò t
ầ
ừ
Phân tích quang ph phát x
ạ
ổ
Đ u dò langmuir
ầ
Các ph Các ph
ng pháp ch n đoán ng pháp ch n đoán
ươ ươ
ẩ ẩ
ẩ
ẩCh n đoán Ch n đoán Đ u dò langmuir ầ
Thông s plasma ố Thông s plasma ố ế ồ
Nhi t đ plasma, n ng đ , th plasma .. ộ ệ ộ
Phân tích quang ph phát x nhi t đ , n ng đ , thành ph n plasma ạ ổ ệ ộ ồ ầ ộ
Ch n đoán chùm n tron nhi t đ ion ẩ ơ ệ ộ
Giao thoa k viba ế n ng đ electron ộ ồ
hình nh plasma Quay phim t c đ cao ố ộ ả
Tán x thomson t đ electron ạ N ng đ và nhi ộ ồ ệ ộ
Tán x chùm laser ạ
…. ..
ổ
I. Nguyên t c kích thích ph phát ắ trong plasma
• Plasma, khi b nung nóng đ n nhi
ế
ứ
ồ
ạ
ị ở ạ
ạ
ạ
ng, và chính
ượ
ự
t đ ệ ộ khá cao thì tr thành ngu n b c x r t ạ ấ m nh. Các d ng va ch m khác nhau gi a ữ các h t trong plasma là nguyên nhân gây ra s phát x tia năng l ạ đ ng th i sinh ra ph phát x . ạ ổ
ồ
ờ
II. Các quá trình sinh ra các phát
x năng l
ng:
ạ
ượ
ạ ợ
• 1. B c x gián đo n ứ ạ • 2. S b c x tái h p ự ứ ạ • 3. S b c x hãm ự ứ ạ
1. B c x gián đo n:
ứ ạ
ạ
• Các nguyên t ủ ử
ẽ ứ ị
và các ion c a plasma b kích thích s b c x ạ photon
ạ ủ ổ ứ
ổ ạ
ữ ổ ạ
• Quang ph b c x c a chúng là nh ng quang ph v ch. • Ph v ch là ph phát x c a ạ ủ ổ hóa h c h u ầ ọ ố ng n m trong vùng ằ
190-1000nm (vùng
ộ
ố
các nguyên t nh th ư ườ ph t ổ ừ UVVIS). Ch có m t vài ỉ nguyên t á kim hay kim lo i ạ ki m m i có m t s v ch ph ổ ộ ố ạ ớ n m ngoài vùng này. ề ằ
2. S b c x tái h p:
ự ứ ạ
ợ
ợ
ạ
ự ứ
. ệ ử
ng
ươ
ượ
• S b c x tái h p sinh ra khi ion thu nh n đi n t ậ • S tái h p gi a ion âm và ự ữ ợ và v i ion d đi n t ệ ử ớ s làm gi m ion âm ả ẽ • Trong quá trình tái h p, ợ c b c x các photon đ ạ ứ ụ t o ra quang ph liên t c. ổ ạ
Hình nh c a ph m t tr i ổ ặ ờ
ủ
ả
2. S b c x tái h p:
ự ứ ạ
ợ
• S tái h p là quá trình ngh ch c a quá
ự
ủ
ợ
ị
trình ion hoá.
3. S b c x hãm: ự ứ ạ
• Do s va ch m gi a các đi n t
ự ặ
ầ
ệ ử ớ ộ ng c a mình, ph n năng l ng t ướ ạ
ượ ử
ượ ự
ươ
ử
v i các ữ ạ b m t m t ph n năng ion n ng, đi n t ầ ệ ử ị ấ ng này l ủ ượ ánh sáng. phát x ra d i d ng l ạ B c x sinh ra khi có s va ch m c a ủ ạ ạ ứ ng ho c ion d v i nguyên t đi n t ặ ệ ử ớ n ng, g i là b c x hãm. ạ ứ ọ ặ ẽ ứ
• B c x hãm s sinh ra quang ph liên t c ụ
ạ
ổ
III. M i quan h gi a c
t đ , m t
ố
ng đ , nhi ộ
ệ ộ
ậ
: đ h t trong plasma
ệ ữ ườ ộ ạ
ủ ừ • Trong plasma, nguyên t
o) c a m t nguyên t đ ố ượ ộ o, lên tr ng thái năng l ượ ạ
m
c kích thích t ng cao A ượ
ng trình: tr ng thái năng l đ ể ạ ượ c bi u di n theo ph ễ
(Aử ng th p E ấ ươ Ao + XE = A* (a) ị ộ
m c năng l ở ề ạ năng l ng t ng: • Sau m t th i gian,nguyên t ờ ượ ứ ơ ượ ượ ấ ạ
đã b kích thích A* tr v tr ng thái có ử ng th p h n s phát x ra l ử ẽ A* = hv + Ao (b)
III. M i quan h gi a c
t
ệ ữ ườ
ng đ , nhi ộ
ệ
:
ố đ , m t đ h t trong plasma ộ
ậ ộ ạ
c a nguyên t
ử ủ
• N u g i N
A ng cao A
ế ị
ạ
ượ
ử o đã m,
ọ m là s nguyên t ố b kích thích đ n tr ng thái năng l thì theo quy lu t Bolzamann ta có:
ế ậ
Nm= Na (gm/ g0) . exp ( -ΔEmo/k T)
N u g i I
ng đ c a v ch ph do quá trình kích ổ
ạ
ườ
ộ ủ
ộ
t đ ệ ộ
ọ a là c ế thích ph đã nói ở ổ plasma nh t đ nh ,I
trên sinh ra, ng v i m t nhi ứ ụ ấ ị
ớ ộ
a ph thu c vào:
- S nguyên t ị
Ao đã b kích ố thích lên tr ng thái A*, (N ử ạ
ồ ạ ủ
m). i c a nguyên t tr ng thái kích thích, (t
ờ A* - Th i gian t n t ở ạ
ượ ừ ạ Ia = f. (1/tm). Amo .Em. Nm ↔ I a = f. (l/t m) . A m0 .Na (gm/ g0).
- Năng l A t t ơ ả ử tr ng thái kích thích, (E ạ ử m). ng kích thích nguyên tr ng thái c b n đ n ế m = hν). hν. exp ( -ΔEmo/k T)
ấ
ử
- Xác su t chuy n m c c a ể ứ ủ A t tr ng thái kích ừ ạ ng Am v tr ng ượ
ượ ề ạ o, ng E
nguyên t thích năng l thái ban đ u năng l ầ (Amo).
và trong m t nhi ố ớ ử ộ
ụ
ộ
ỉ
Ia ch ph thu c vào N
a
I a =k N a
Amo, go, gm, Cm, hv là nh ng h ng s . Đ i v i m t lo i nguyên t ạ ộ các y u t ế ố ệ ộ ữ ma nh t đ nh thì t đ plas ấ ị ằ ố
m) . A m0 (gm/ g0) hν. exp ( -ΔEmo/k T)
V i: k = f. (l/t ớ
t
ố ớ
ổ
ệ
, ng v i nhi ớ ử ứ ng đ c c ộ ượ ườ c m t đ các nguyên t
ấ ị ổ
ậ ộ
ượ
ử
Nh v y đ i v i quang ph nguyên t ư ậ đ nh t đ nh c a plasma, ta tìm đ ộ ủ c a ph , ta có th tìm đ ể ủ trong plasma (Na).
Kh o sát nhi
: t đ v t đen
ả
ệ ộ ậ
ậ
ạ
ữ ế
ậ ấ ạ
- V t đen là nh ng v t h p th hoàn ụ i, đ i toàn b c x chi u x chi u t ứ ố ế ớ v i m i đ dài sóng và đ i v i m i ọ ộ ọ ố ớ ớ i. ớ góc t - Th c t ự ế
không có v t đen tuy t đ i. ệ ố
ậ
i ta t o ra v t đen b ng cách dùng m t bình C có đ c m t l
ạ
ậ
ườ
ộ ỗ
ụ
ằ
ộ
ỏ
ể
ồ
ứ
ả
h ng bên trong bình, ph n x nhi u l n liên ng b c x đ u b h p th . ụ
ỗ ổ ầ
ứ
ế
•Ng th ng nh , bên trong bôi đen b ng m hóng, (có th coi là v t ằ ủ đen),b c x khi đi qua l ạ ti p bên trong bình, do đó h u h t năng l ế Di n tích l ừ ệ
ậ ề ầ ị ấ h ng v a là b m t h p th , v a là b m t b c x . ạ
ạ ạ ề ề ặ ứ
ượ ụ ừ
ề ặ ấ
ỗ ổ
ổ
ườ
ề
ơ
ở
ượ
ằ
Đ ng đ c tr ng ph phát x ạ ư ặ c a v t đen: ủ ậ • B c x phát ra b i m t v t g m nhi u đ n ộ ậ ồ ng phát ra ng v i m i đ n s c ỗ ơ ắ ớ ứ c đ c tr ng b i h ở ệ ư ặ ượ ng đ n s c E ơ ắ
ứ ạ s c, năng l ắ không b ng nhau và đ s chói năng l ố
ượ
λ.
ễ
• Đ ng cong bi u di n s bi n thiên c a E
λ
ễ ự ế c g i là đ
ng đ c
ườ
ủ ặ
ườ c sóng λ đ theo b ướ tr ng ph phát x c a v t. ổ ư
ượ ọ ạ ủ ậ
ị
ư
Ta xác đ nh đ c đ c tr ng ph phát ổ ượ ặ x c a v t đen b ng thí nghi m: ằ ạ ủ ậ
ệ
A
C
ườ
ệ
ễ ủ ứ ạ
ộ ễ ự ế
ễ ự ế ở ậ
ễ
ế ng cong bi u di n s bi n ng đ c tr ng ph phát x c a v t đen.
ủ ộ ỉ ườ ư
ạ ủ ậ
ườ
ặ
ổ
Đ ng cong bi u di n s bi n thiên c a đ ch trên đi n k G theo đ dài sóng c a b c x ra b i v t đen A chính là đ λ theo λ hay chính là đ thiên c a Eủ
c
ằ
ẽ ượ
t đ khác nhau
B ng cách thay đ i nhi ệ ộ ả ậ ổ nhi u đ c tr ng ng v i nhi u nhi ề ớ ư ứ
t đ cu v t đen, ta v đ ệ ộ
ề
ặ
Nh n xét: •
ặ λ c c ự
ậ ng đ c +Nh n xét đ ườ ậ tr ng trên, ta th y E ấ ư đ i ng v i m t đ dài ộ ộ ớ ạ ứ sóng λm
• + Năng su t phát x toàn ấ
ạ
ế ề
ph n R tăng r t nhanh theo ầ ấ t đ T c a v t đen nhi ủ ậ ệ ộ • + Nhi t đ c a v t đen ệ ộ ủ ậ ị ố ủ m càng cao thì tr s c a λ càng ti n v phía đ dài ộ sóng ng n.ắ
Nhi
ệ ộ ứ ạ ủ ậ
ự t đ b c x c a v t th c:
ấ
ậ
ấ
ầ
ớ
• R là năng su t phát x toàn ph n ầ ạ • V i các v t đen, năng su t phát x toàn ph n ậ
ị
ạ Rvđ tuân theo đ nh lu t Bolzamann:
Rvđ = T4 • V i các v t th c (không đen) thì năng su t ấ
ậ
ớ
phát x toàn ph n R < R
ạ
ự ầ
4
vđ V y: R < T
ậ
Nhi
ệ ộ ứ ạ ủ ậ
ự t đ b c x c a v t th c:
ớ
ộ
ủ ậ
ụ
ộ
ệ ộ ̓ ủ
ằ
nhi
- Đ t R= b*T 4 , v i b là đ đen c a v t, ph thu c ặ t đ c a v t ( b <1) vào tính ch t và nhi ệ ộ ủ ậ ấ - N u ta xét nhi t đ T c a m t v t đen có năng su t ấ ộ ậ ế phát x toàn ph n b ng năng su t phát x c a m t ầ ộ ạ ủ ấ t đ b c x c a t đ T thì T là nhi v t th c ệ ộ ứ ạ ủ ệ ộ ậ v t th c. ậ
t đ th c c a v t th c là:
ạ ự ở ự Ta có: T ̓ 4 =b *T4 V y nhi ậ
ệ ộ ự ủ ậ
ự
t đ b c x T c a v t th c,
ị
ệ ộ ứ ạ ̓ ủ ậ
ự
N u xác đ nh đ ế ta suy ra nhi
c nhi ượ t đ th c T c a nó ệ ộ ự
ủ
̓
ng d ng
Ứ
ụ : Ho k quang h c:
ả ế
ọ
t
ả ế
ể
ệ ộ
• Ho k dùng đ đo các nhi ộ ậ
ỏ
t đ cao: nhi ệ t đ c a lò ệ ộ ủ
đ c a m t v t nung đ , nhi luy n kim….
ộ ủ ệ
ồ
ậ
ỏ
ộ ụ
• Chùm b c x phát ra t ừ ứ ạ ệ ủ ả
ồ
ằ
ằ ủ t ệ v i ỉ ệ ớ
ộ ộ ằ c đo b ng m t c p nhi ộ ặ t đ này t l ệ ộ ủ ậ
̓
t đ có s n, ta suy ra nhi
v i đ chói c a v t đen A. t đ ệ ộ
ộ ủ ả ộ ằ
ọ ố ỉ ủ
• N u A không ph i v t đen thì nhi
c ch là nhi ỉ
t đ ệ ộ
ả ậ
t đ th c c a A là T v i T đ
c tính theo bi u th c
• Nhi
ngu n A ( đóng vai trò là v t đen nh ư c a s c a m t lò luy n kim), h i t vào m t đĩa nh K b ng ộ ử ổ ủ b c bôi đen. Đ chói c a nh A trên đĩa K b ng đ chói c a ộ ạ t đ c a đĩa K đ ngu n A. Nhi ệ ộ ủ ượ đi n và m t đi n k G có đ nh y l n. Nhi ạ ớ ộ ệ ế ệ đ chói c a nh A , do đó t l ỉ ệ ớ ộ ộ B ng m t băng đo m u nhi ẵ ệ ộ ẫ ằ c a A b ng cách đ c s ch c a đi n k G ệ ế ủ t đ đ ế ệ ộ ượ b c x T c a v t. ứ ạ ̓ ủ ậ ệ ộ ự ủ
ượ
ứ
ể
ớ
̓
Đ u dò t
ầ
ừ
ng là ấ ỉ
ữ
ạ
C u t o: ấ ạ • Đ u dò t tr ầ ừ ườ m t vòng dây r t nh ộ ỏ ng kính ch vào đ ườ kho ng 1mm ả • Vòng dây đ c gi ượ v ng đ u ng phóng ữ ở ầ ố đi n nh b ng th ch ỏ ằ ệ anh.
c đ a vào trong
ạ ộ ư
tr ừ ườ ệ
ầ
ầ
ộ
i s ạ ự
ổ
ổ ệ tr ố ừ ườ
ự t đ ế ượ
Nguyên t c ho t đ ng: ắ •Đ u dò đ ượ ầ plasma •S bi n thiên t ng trong ự ế vòng dây làm đi n áp hai đ u c a đ u dò thay đ i ổ ủ •M t máy dao đ ng ký ghi l ộ thay đ i đi n áp. ệ •D a vào s thay đ i đi n áp ta ự ng c s phân b t bi ự trong plasma
Vai trò c u ph
ầ
ng đ t
ừ ng trong ng
ươ ả c s phân b c ố ườ
ng pháp đ u dò t tr ộ ừ ườ
ự
ố
ng, ta có th thi
ể
ế ậ
t l p s phân ự
ố
t đ
t đ c a plasma.
ể ế ượ
c c nhi ả
ệ ộ ủ
ượ
•cho bi t đ ế ượ phóng đi nệ •Khi bi tr t s phân b t ố ừ ườ ế ự b dòng đi n trong plasma. ệ •Ngoài ra có th bi c đi m ể ị ố
ấ
Nh đ u dò b b c h i, làm xu t hi n nh ng t p ch t trong plasma. ệ ầ
ữ
ạ
ấ
ơ
Langmuir Probes
Measurable parameters • electron temperature • plasma density • electron energy distribution function • floating potential • plasma potential
wire
plasma
insulator
I
Voltage Generator
V
C u t o đ u dò Langmuir C u t o đ u dò Langmuir
ấ ạ ấ ạ
ầ ầ
L p đi n môi ệ L p đi n môi ệ
ớ ớ
ượ
Thép không gỉ Thép không gỉ
ằ ằ
S i dây kim lo i ạ ợ S i dây kim lo i ợ ạ m nh làm b ng ả m nh làm b ng ả Tungsten hay Modylen, Tungsten hay Modylen,
ọ ệ
ọ
ế
Là m t s i dây kim ộ ợ lo i m nh hình tr , ụ ả ạ c bao bên ngoài đ b c b i ch t cách ấ ở đi n d c theo chi u ề ọ dài, ch đ h mũi ỉ ể ở nh n c a s i dây ợ ủ g i là đ u dò. Kích ầ ọ c đ u dò vào th ầ ướ c vài mm đ n vài ỡ cm.
S đ m c m ch
ơ ồ ắ
ạ
anode-đ u dò
ầ ầ
ế ế ộ ủ đ u dò ộ ủ ầđ u dò ầ
ủ ủ
Đi u ch nh bi n tr Đi u ch nh bi n tr ở ế ỉ ề ở ế ề ỉ thay đ i ổ → U→ Uanode-đ u dò thay đ i ổ → I→ Iđ u dò thay đ iổ thay đ iổ ầđ u dò ầ Ampe k và Vôn k xác ế Ampe k và Vôn k xác ế đ nh s ph thu c c a I ự ụ ị đ nh s ph thu c c a I ự ụ ị vào Uvào Uanode-đ u dò anode-đ u dò ầ ầ → Các đ c tr ng c a → Các đ c tr ng c a ư ặ ư ặ plasma (nee, T, Tee)) plasma (n
ơ ồ ệ ố
ẩ
S đ h th ng ch n đoán dùng đ u dò langmuir
ầ
• 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
amp
Ram p
• These characteristics are important for setting the plasma process parameters.
Current
Current Sensing Resistor
Y X
Đ ng đ c tr ng Volt - Ampere Đ ng đ c tr ng Volt - Ampere
ườ ườ
ư ư
ặ ặ
t là các e t là các e ạ ạ ế ế ệ ệ ệ ệ ặ ặ ố ố
ệ ệ
ố ố ỏ ỏ ộ ớ ộ ớ ề ặ ề ặ ươ ươ ệ ệ ấ ấ ầ ầ
ệ ệ ư ớ ư ớ ế ế ỏ ỏ
Các h t mang đi n khuy ch tán đ n thành ng, đ c bi ế Các h t mang đi n khuy ch tán đ n thành ng, đ c bi ế -> Thành ng tích đi n âm -> Thành ng tích đi n âm ng xu t hi n g n b m t thành bình, M t l p m ng đi n tích d ng xu t hi n g n b m t thành bình, M t l p m ng đi n tích d có tác d ng nh l p v bao l y plasma, ngăn dòng khuy ch tán ụ ấ có tác d ng nh l p v bao l y plasma, ngăn dòng khuy ch tán ụ ấ ng. ion d ươ ion d ng. ươ Th năng t ế Th năng t ế i l p v m ng g i là th bao (Sheath Potential) ế i l p v m ng g i là th bao (Sheath Potential) ế ỏ ỏ ỏ ỏ ạ ớ ạ ớ ọ ọ
ư ầ ư ầ
ng và ngăn ch n các e k ti p ế ế ặ ng và ngăn ch n các e k ti p ế ế ặ
ươ ươ ệ ạ ạ ệ ạ ạ ắ ắ ể ể ế ế ế ế ằ ằ
Khi đ a đ u dò Langmuir vào bên trong plasma, các e bao quanh đ u ầ Khi đ a đ u dò Langmuir vào bên trong plasma, các e bao quanh đ u ầ dò, hình thành màn ch n tĩnh đi n ệ ắ dò, hình thành màn ch n tĩnh đi n ệ ắ Màn ch n tĩnh đi n này “thu hút” các ion d ệ Màn ch n tĩnh đi n này “thu hút” các ion d ệ di chuy n đ n đ u dò cho đ n khi h đ t tr ng thái cân b ng. ầ di chuy n đ n đ u dò cho đ n khi h đ t tr ng thái cân b ng. ầ ..
Th năng t Th năng t i màn ch n g i là th n i ế ổ ọ i màn ch n g i là th n i ế ổ ọ ạ ạ ắ ắ
ế ế (Floating Potential). Ký hi u: Vệ (Floating Potential). Ký hi u: Vệ ff
Khi plasma
Khi plasma
ế ế
ằ ằ
ộ ộ
ấ ị
ở ạ ở ạ ọ ọ
tr ng thái cân b ng, nó có m t th năng tr ng thái cân b ng, nó có m t th năng ệ ệ
ấ ị
nh t đ nh g i là th plasma ký hi u: V ế nh t đ nh g i là th plasma ký hi u: V ế pp Plasma DC: V = const Plasma DC: Vpp = const Plasma RF: V Plasma RF: Vpp = V = Vpp(t)(t)
M i liên h gi a th bao (V ệ ữ M i liên h gi a th bao (V ệ ữ
ế ế
ố ố
ế ế
) và th plasma (V ff) và th plasma (V
pp):):
), th n i (V ế ổ ss), th n i (V ế ổ VVpp = V = Vss + V + Vff
VV > V > Vpp
VV < V < Vpp
I > 0 I > 0 ế ầ ế ầ
ả ử ả ử
ế ế
ẽ ẽ
ồ ồ
I < 0 I < 0 ị ị
s , th đ u dò là th âm, ta s xác đ nh n ng đ Gi ộ Gi s , th đ u dò là th âm, ta s xác đ nh n ng đ ộ ion trong vùng đi n tích không gian bao quanh đ u dò. ion trong vùng đi n tích không gian bao quanh đ u dò.
ệ ệ
ầ ầ
ệ ệ
ầ ầ
ợ ợ
ệ ệ
=
=
=
n e
n i
n i
0
0
n s
n (0) e ố ố
(cid:0) - (cid:0) 
Tiêu chu n Bohm ẩ Tiêu chu n Bohm ẩ Trong vùng đi n tích không gian bao quanh đ u dò không Trong vùng đi n tích không gian bao quanh đ u dò không có tái h p gi a các đi n tích. ữ có tái h p gi a các đi n tích. ữ T i biên phân cách gi a vùng trung tính và T i biên phân cách gi a vùng trung tính và ữ ạ ữ ạ = vùng không trung tính (x = 0): vùng không trung tính (x = 0): (0) N ng đ e tuân theo phân b Bolztmann: N ng đ e tuân theo phân b Bolztmann: ( ))
V x
e V (
(0)
=
exp
n x ( ) e
n eo
-�
�
ộ ồ ộ ồ TTii ≈ 0≈ 0
kT e
xx
V = 0V = 0 x = 0 x = 0
(cid:0) (cid:0)
M t đ dòng e đ n đ u dò: M t đ dòng e đ n đ u dò:
ậ ộ ậ ộ
ế ế
ầ ầ
=
J
) ( dvEef
¥
e
x
x
v
min
(cid:242)
2
(
)
(
)
)
( Ve
0
V
1 2
vm e
1 2
=
v
exp
dv
en 0
x
x
m e p 2 kT e
kT e
v
min
M t đ dòng ion đ n đ u dò: M t đ dòng ion đ n đ u dò:
ậ ộ ậ ộ
ế ế
ầ ầ
( e V
=
J
e
n e 0
p kT e
� m e � p 2 kT � e
) �- V � � �
1 2
(cid:246) (cid:230) ¥ - ¥ - - (cid:247) (cid:231) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) - (cid:242) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł (cid:247) (cid:231) ł Ł
=
Trong đó:
v
=
exp
n e v 0
(*’) (*’)
8 m e p kT e
1 4
p kT e
1 � � � 2 -� exp � � � � ) ( �- e V V � � �
� � -� � �
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
c: c:
c c ườ ườ
ộ ộ
ầ ầ
ổ ổ
ượ ượ
)
ng đ dòng t ng c ng mà đ u dò thu đ ộ ng đ dòng t ng c ng mà đ u dò thu đ ộ ( Ve
V
=
I
AJ
AJ
exp
A
e
= i
venA 0
ven 0
B
1 4
1 2
- (cid:252) (cid:236) - - - (cid:253) (cid:237)
(cid:254) (cid:238)
)
p kT e ( Ve
V
i
=
+
Trong đó: Trong đó: t di n A là ti ệ ế t di n A là ti ệ ế c a đ u dò ủ ầ c a đ u dò ủ ầ
I
A
1
exp
ven 0
B
2 p
1 2
M m e
p kT e
(cid:252) (cid:236) - (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) - - (cid:253) (cid:237) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł (cid:254) (cid:238)
Đ ng đ c tr ng Volt - Ampere Đ ng đ c tr ng Volt - Ampere
ườ ườ
ư ư
ặ ặ
ườ
C ng đ ộ dòng đi n (μA) ệ
Th plasma
ế
Vp
Th n i
ế ổ Vf
ầ ầ
Đi n thệ
ế
Mi n A: Khi V > V pp, , ềMi n A: Khi V > V ề i màn ch n không t n t ắ ồ ạ i màn ch n không t n t ắ ồ ạ đi n bao quanh đ u dò, ầ ệ đi n bao quanh đ u dò, ầ ệ e bão hòa.. = Ie bão hòa dòng I → I→ Ibão hòa bão hòa = I dòng I Đ u dò có th thay th ế ể Đ u dò có th thay th ể ế cho anode hút các dòng cho anode hút các dòng ệđi n tích. ệ đi n tích. Mi n B: Dòng ion và ềMi n B: Dòng ion và ề electron đ u dò thu nh n ậ ầ electron đ u dò thu nh n ậ ầ c:ch m vào nó đ ượ đ c:ch m vào nó ượ
ạ ạ
1 2
< <
=
I
I
I
eA
i
e
p
n 0
1 4
kT 8 e p m e
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) » (cid:247) (cid:231) ł Ł
ườ
C ng đ ộ dòng đi n (μA) ệ
Th plasma
ế
Vp
ề
Th n i
ế ổ Vf
ầ ầ
i ớ ớ i ớ ớ
Đi n thệ
ế
Mi n C: V < V pp, , ềMi n C: V < V đ u dò b t đ u đ y ẩ ắ ầ ầ đ u dò b t đ u đ y ẩ ắ ầ ầ các e và hút các ion các e và hút các ion ng v phía đ u dò. d ề ươ d ng v phía đ u dò. ề ươ Ch có các e nào có đ ủ ỉ Ch có các e nào có đ ỉ ủ đ ng năng m i t ộ đ ng năng m i t ộ c đ u dò. đ ượ ầ c đ u dò. đ ượ ầ
)
( 2 V
V
p
=
-
kT e e
i
t đ ệ ộ
ln
f 2 p
M m e
Nhi e:
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
ườ
C ng đ ộ dòng đi n (μA) ệ
Th plasma
ế
Vp
ng có chuy n đ ng ng có chuy n đ ng
ề ươ ươ
, các ff , các ộ ể ộ ể
Th n i
ế ổ Vf
ậ ậ
Đi n thệ
ế
Mi n D: V < V ềMi n D: V < V ion d ion d ẫng u nhiên xuyên qua ẫ ng u nhiên xuyên qua vùng màn ch n tĩnh đi n ệ ắ vùng màn ch n tĩnh đi n ệ ắ s b đ u dò thu nh n, ẽ ị ầ s b đ u dò thu nh n, ẽ ị ầ cùng v i nó l p màn ch n ắ ớ ớ cùng v i nó l p màn ch n ớ ớ ắ b m ng đi do th c a đ u ế ủ ầ ị ỏ b m ng đi do th c a đ u ế ủ ầ ị ỏ dòdò..
ạ ạ
ủ ủ
ằ ằ
ả ả ạ ứ ấ ạ ứ ấ ng trình cân b ng c a dòng ion: ng trình cân b ng c a dòng ion: Aen
I =
v 00
ớ ầ ớ ầ bão hòa << I
th thì ta ph i xét đ n s phát x đi n t ếN u V << V ạ ệ ử ứ ế ự ế pp thì ta ph i xét đ n s phát x đi n t N u V << V th ạ ệ ử ứ ế ự c p và các electron th c p này va ch m m nh v i dòng ớ ấ c p và các electron th c p này va ch m m nh v i dòng ớ ấ 1 ion t ion t 2 IIionion bão hòa
ươ ươ e bão hòa do M do Mii >> m >> me e
i đ u dò). Ph i đ u dò). Ph << Ie bão hòa
ườ
C ng đ ộ dòng đi n (μA) ệ
Th plasma
ế
Vp
Th n i
ế ổ Vf
ậ ậ
Đi n thệ
ế
ố ủ ố ủ
V < VV < Vpp : I : Iee thay đ i theo thay đ i theo ổ ổ t thi quy lu t hàm mũ (gi ế ả t thi quy lu t hàm mũ (gi ế ả hàm phân b c a e là hàm phân b c a e là Maxwell-Boltzmann). Maxwell-Boltzmann). ị ớ ạ ư
i h n b i màn ở
ắ
ư
ấ
ộ
ặ ế
ớ ệ
ự
ề
ẩ
V > Vp: Ie v n ti p t c tăng nh ng b gi ẫ ế ụ ch n plasma V = Vp thì đ ng đ c tr ng V – A có đ cong l n nh t. ườ Vì th đ xác đ nh th plasma ta d a vào đi u ki n sau: ị ế ể I”(Vp) = I”max ho c ặ I”(Vp) = 0 (Tiêu chu n Druyvesteyn).
Xác đ nh các đ c tr ng c a plasma Xác đ nh các đ c tr ng c a plasma
ị ị
ủ ủ
ặ ặ Nhi Nhi
ừ ể ừ ể
ứ ứ
ế ế
ầ ầ
ị ị
1 2
)
ư ư t đ ệ ộ t đ ệ ộ ee T bi u th c xác đ nh dòng electron đ n đ u T bi u th c xác đ nh dòng electron đ n đ u dò:dò:
( Ve
V
=
I
exp
eAn 0
kT e p 2 m e
p kT e
Trong đó:
L y ln hai v : ế L y ln hai v : ế
ấ ấ
- (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł
1 2
)
( Ve
V
1 2
=
ln
I
ln
exp
eAn 0
=
I
eAn
p
kT e p 2 m
e
p kT e
kT e p 0 2 m
e
ø Ø - (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł œ Œ ł Ł ß º
1 2
)
( Ve
V
ng đ dòng electron
-+
=
ln
eAn 0
kT e p 2 m
p kT e
e
là c ườ bão hòa (t
ộ i V ≈ V
ạ
p)
)
ø Ø - (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) œ Œ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ł Ł œ Œ ß º
( VVe
p
=
+
ln
I
p
)
-
kT e ( VVe
p
=
ln
I
ln
I
(*)
p
kT e
- - (cid:222)
VV
VV
p
=
=
(**)
kT e e
ln
I
p ln I
p
ln
I I
p
- - (cid:222) - (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
ặ
ư
ể
c ng trình có d ng bi u th c (*)
ng th ng v i ph
T đ ừ ườ di n l ễ ạ đ ườ
ng đ c tr ng Volt – Ampe hình trên, n u ta bi u ở ế f(V), ta s đ i trên tr c semi-logarith lnI = ẽ ượ ứ ể ạ ươ
ụ ớ
ẳ
ủ
ệ ố
ng th ng này là
Đ d c hay h s góc c a ộ ố đ ườ
ẳ
kTe e
=
Dodoc
= a tg
kT e e
ượ
ị
T đây, ta xác đ nh đ t c nhi ệ ừ đ c a electron trong plasma: ộ ủ
=
Te
α
a etg k
Đ ng đ c tr ng Volt – Ampe trong h semi-logarith lnI =
f(V)
ườ
ư
ệ
ặ
ng ng
ồ ồ
ươ ươ ng đ dòng electron bão
N ng đ e hay ion d ộ N ng đ e hay ion d ộ ườ ứ
ộ
ừ ể
T bi u th c tính c hòa:
1 2
=
I
eAn
p
kT e p 0 2 m
e
trên,
ớ
ở
ị
c n ng đ electron (hay ion) trong plasma:
V i nhi ệ ộ ta có th tính đ ể
t đ electron trong plasma đã xác đ nh ộ
ượ ồ
I
p
=
n
0
1 2
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
eA
kT e p 2 m
e
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
Typical Langmuir Probe I-V Curves
floating potential
full I-V curve
Density from ion saturation
temperature fitting
plasma potential
Đ U DÒ PHÁT X Ạ Ầ (Emissive probe)
1. C U TRÚC
Ấ
ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
2. Ho t đ ng.
ạ ộ
D a trên nguyên lí c b n là: N u th đ u
ế
ế ầ
ơ ả ế ng th p b hút tr l ị
ấ
ườ
ầ
ng h p này dòng đ u dò là ạ
ế
ể
ạ
ự ng so v i th plasma, các electron dò là d ớ ươ i đ u phát ra v i năng l ở ạ ầ ượ ớ dò. Trong tr ợ không thay đ i b i s phát x ra các ổ ở ự electron. N u th đ u dò là âm so v i th ế ớ ế ầ plasma, các electron phát x có th đi vào plasma.
ế
• N u đ u dò đ ầ
ế
ổ
c cho b i công th c:
c nung nóng cho đ n khi phát x ra ạ ượ electron, dòng đ u dò t ng c ng, là m t hàm c a ủ ầ đi n th đ u dò, đ ế ầ
ộ ở
ộ ứ
ệ
I
I
)
ượ = + I i
em
e
p
I V ( p Dòng phát x :ạ
*
=
I
2 exp
em
A A T w em
� � �
ệ
f� e -� w k T � w B em là di n tích phát x , ạ ố
f
b m t đ u dò.
V i Aớ A* là h ng s Richardson, ằ t đ c a đ u dò Tω là nhi ệ ộ ủ ầ là công thoát đi n t w
ệ ử ề ặ ầ
-
Đ U DÒ PHÁT X
Ầ
Ạ
Ph
ng pháp đo:
ươ
i ta
ể
ớ ầ
ạ
ườ
Đ đo th plasma v i đ u dò phát x ng ế ng pháp chính: dùng 2 ph Ph ươ Ph ươ
ươ ng pháp th u n ế ố ng pháp th n i ế ổ
Ph
ng pháp th u n:
ươ
ế ố
• Nguyên t c c a
ắ ủ
ươ
ư
ạ
ứ
ng pháp này là ph d a trên vi c xác đ nh ị ệ ự tr c ti p th plasma ế ự ế ng đ c tr ng đ t ặ ừ ườ đ u dò phát x . Th ế ạ ầ mà t i đó xu t hi n ệ ấ đi m u n trên đ ng ườ ố ể đ c tr ng c a đ u dò ầ ủ ư ặ ng ng v i phát x t ớ ạ ươ th plasma.
ế
Ph
ươ
ng pháp th n i ế ổ
ệ
• Ph ầ
ở
các dòng nhi ế ổ ủ
ẽ ị
ể
ứ
ế
ạ
ớ
ị
ng pháp này bao g m vi c đo các th n i c a ế ổ ủ ồ ươ đ u dò t khác nhau. Khi dòng nhi t ệ ệ tăng lên, th n i c a đ u dò s d ch chuy n (tăng) ầ cho đ n khi nó đ t giá tr bão hòa ng v i th ế plasma.
Đ U DÒ PHÁT X
Ầ
Ạ
3 0 0 - 6 0 0 V
I d is
A
V d i s
V
1
2
P L A S M A
3
V p r
V
I p r
A
- 3 0 - 3 0 V
S đ m ch đi n đ u dò trong plasma ầ
ơ ồ ạ
ệ
ộ ụ
ậ ộ
ụ ể
ệ
ầ
Đ U DÒ FARADAY Ầ (Faraday probe) Đ u dò Faraday là m t d ng c đ đo m t đ dòng đi n Các lo i đ u dò: ạ ầ
Đ U DÒ FARADAY
Ầ
Đ u dò có hai b ph n chính:
ầ
ậ
ộ
* Vành góp
* Vòng b o vả
ệ
ĐẦU DÒ FARADAY
Vành góp
ằ
Làm b ng thép không r ỉ Đ c phun m t l p tungsten đ làm ộ ớ ượ ể gi m s phát x electron th c p t ứ ấ ừ ạ ự ả s b n phá ion ự ắ
Đ U DÒ FARADAY
Ầ
• Vòng b o vả
ệ
ắ
ể
ng
ấ
Dùng đ che ch n vành góp kh i các ỏ ng ion năng l ượ th p đ n t đ ế ừ ườ phía bên ngoài vành góp.
Đ U DÒ FARADAY
Ầ
ề ặ ủ
ứ
ạ ủ
ầ
ầ
ề ặ ầ
c xác đ nh b i t s c a
Ho t đ ng: ạ ộ Khi các ion đ p vào b m t c a vành góp, ậ các electron ch a trong ph n kim lo i c a đ u dò Faraday tuôn ra b m t đ u dò đ ể trung hòa các ion t p trung trên b m t ề ặ ậ Các electron di chuy n t o ra dòng đi n ể ạ ệ đ u dò, dòng này b ng v i dòng ion. ớ ằ ị
ầ ậ ộ
ở ỉ ố ủ
dòng ion và di n tích c a vành góp.
M t đ dòng đ ượ ệ
ủ
J= I/A
ử ụ ế ầ ệ ự ườ
j =
i ta s d ng vôn k đ đo đi n th đ u ế ể c tính nh sau: ẽ ượ ư
Trong th c nghi m: Ng ệ dò V, sau đó m t đ dòng s đ ậ ộ V RA
ớ ạ ở
V i : R là đi n tr trong m ch A là ti ệ t di n đ u dò ế ệ ầ
Đ u dò Faraday trong LVTF ầ
ĐẦU DÒ FARADAY
Đ U DÒ FARADAY
Ầ
ồ ị ể ệ ự ụ ộ ủ
Đ th th hi n s ph thu c c a m t đ ậ ộ dòng vào v trí góc ị
GIAO THOA KÊ VIBA
(MICROWAVE INTERFEROMETRY)
́
GI
I THIÊU CHUNG
Ớ
: Công dung̣
̣
Đo mât đô electron cua dong plasma phat sang DC (Direct Current) va RF (radio frequency)
u điêm:
Ư
̣ ̣ ̉ ̀ ́ ́ ̀
Không lam xao trôn, va gây ra nh ng hiêu ng không đang kê trên plasma
̣ ứ
ữ
̉
Nguyên tăc:́
cua chum song viba khi no
ự
̀ ́ ̣ ̀ ́ ̉
ng
ự thay đôi pha ̣ ớ
ườ
ự
́ ̣ ̣ ̀ ̉ ̉ ̀ ́ ́
Nguyên tăc hoat đông d a vao s đi qua côt plasma. S thay đôi pha ti lê v i tich phân mât đô doc theo đ dân chum tia.
̣ ̉ ̉ ́ ̣ ̣ ̣
S thay đôi pha đ
c xac đinh d a vao
ự
ượ
̀ giao thoa kê Mach - Zehnder
ự
̃ ̀
̉ ́ ̣ ́
S ĐÔ HOAT ĐÔNG
Ơ
̀ ̣ ̣
GIAO THOA KÊ MACH - ZEHNDER
G ngươ
Detector
G ng ươ ban ma
́
́ ̣
Ự
Ữ
̣ ̣ ̣ ̣ ̉
S PHU THUÔC GI A MÂT ĐÔ ELECTRON CUA PLASMA VA ĐÔ DICH PHA
̀ ̣ ̣
c (rad) va phân th c cua chi sô khuc xa đ c ̣ ữ ượ ̣ ượ ự ̀ ̀ ̉ ̉ ́ ́
L
D = f
m
Quan hê gi a pha đo đ cho b i:ở
(
1 � �
) x dx � �
p 2 l
0
- rad (1.1) (cid:0)
Chi sô khuc xa chuân cua giao thoa kê
Chi sô khuc xa cua ông plasma
̉ ́ ́ ̣ ̉ ̉ ́ ́ ̣ ̉
L: quang đ
ng truyên cua song viba trong plasma (m)
ườ
̉ ́ ́
̃ ̀ ̉ ́
Ự
Ữ
̣ ̣ ̣ ̣ ̉
S PHU THUÔC GI A MÂT ĐÔ ELECTRON CUA PLASMA VA ĐÔ DICH PHA
̀ ̣ ̣
̉ ơ ự ̀ ́ ̣ ̀ ́ ̉ ́ ́ ̀ ̉
2
w
)
(1. 2)
m
=
Khi tân sô va cham nho h n tân sô cua song viba, ta co phân th c cua chi sô khuc xa trong plasma không nhiêm t la: ̀ ừ ̉ ́ ́ ̣ ̃
(
)
x
1
1
= pe 2
w
( n x n c
n (x) : mât đô electron (electron/m
3)
Trong đo: ́
- -
i han (mât đô căt) (electron/m
3)
̣ ớ
̣ ̣
nc : mât đô gi
2
e
0
=
(1. 3)
n c
w m e 2 e
̣ ̣ ̣ ̣ ́
Ự
Ữ
̣ ̣ ̣ ̣ ̉
S PHU THUÔC GI A MÂT ĐÔ ELECTRON CUA PLASMA VA ĐÔ DICH PHA
Trong hâu hêt plasma phong điên phat sang: n(x) << n
̀ ̣ ̣
c
)
)
m
̀ ́ ́ ̣ ́ ́
m
=
(
)
(
)
x
1
(1. 4)
x
1
( n x n 2 c
( n x n c
Thay 1.4 vao 1.1 ta đ
c:
ượ
(cid:0) - -
L
L
p
pn
(1. 5)
D = f
) ( =� n x dx
) ( � n x dx
l
n c
cn c
0
0
n
: la tân sô cua b c xa viba (Hz) ứ
̀
̀ ̀ ́ ̉ ̣
Ự
Ữ
̣ ̣ ̣ ̣ ̉
S PHU THUÔC GI A MÂT ĐÔ ELECTRON CUA PLASMA VA ĐÔ DICH PHA
Mât đô trung binh cua electron trong plasma đ
c đinh nghia
ượ
̀ ̣ ̣
(1. 6)
=
) ( n x dx
̣ ̣ ̀ ̉ ̣ ̃
en
1 L L
0
Thay 1.6 vao 1.5 ta co:
(cid:0)
pn
Ln e
D = f
(1. 7)
cn c
p e 4
=
D = f
f
̀ ́
(1. 8)
n e
cn c p n L
n c m 0 2 Le
D
HAN CHÊ
c plasma th
ng nho h n quang đ
ng t
do
ướ
̉ ơ
ườ
ự
̣ ́
Vi kich th cua năng l
ườ ng song viba.
ượ
̀ ́ ̃
̉ ́
Điêu nay lam nhiêu hiêu ng phan xa va giao thoa cua ̣ ứ cac b c xa viba.
ứ
̀ ̀ ̀ ̃ ̉ ̣ ̀ ̉
̉ ứ
́ ̣
̉ ́ ̣ ̣ ́ ̀ ̀
Đê khăc phuc han chê nay trong lo phan ng plasma, cân dung song viba co ́ tân sô 60GHz hoăc cao h nơ , tuy nhiên trang thai nay rât kho tao ra trong ky thuât.
̀ ̀ ́ ̀ ́ ̣
̣ ́ ̀ ́ ́ ̣ ̃ ̣
Giao thoa kế
Consider these two beams of electromagnetic radiation
w
=
+
=
(
)
(
)
and
E
sin
t
E
w sin
f t
E
0
2
0
E 1
f
When combined with a phase difference
they give a resultant electric field
w
+ f
=
(
(
)
2
E
sin
t
) f 2 cos
2
E
0
t
When these combine
d beams fall on a square-law detector the output
of the detector
2
f
+
[
]
higher-order terms
+ 1 cos
(cid:0)
outV
E 02
The phase shift of a beam of EM radiation passing through a plasm
a
l
w
f
=
=
=
l
l
where
d
k
0
� k d
l m � 0
p 2 l
c
l
w
=
f
= l
l
) 1
D - -
d
The phase difference measured by an interferometer ) k d 0
plasma
0
0
( l m �
c
( � k Now for a plasma
2
2
2
2
m
=
+
w
=
+
e
1
1
m
w 2 p
w n e e
0
2
2
w
<<
now for
(usual case for this diagnostic)
e m
1
n e e
0
1
1
2
2
m
=
+
w
e 2
f
=
e 2
so that
1
D
m
m
n e e
0
w n e e
0
2
2
Giao thoa k microwaves ế
Máy phân tích s tr th ự ễ ế
năng
ơ ồ
ể
H.1 S đ máy phân tích s tr th năng, đ đ nh hàm phân b năng l
ự ễ ế ủ ượ
ố
ị
c dùng đ xác ượ ng c a các ion đ n b m t c a ề ặ ủ ế m u.ẫ
3 h th ng c a máy phân tích:
ệ ố
ủ
ệ ố
ệ
- H th ng đ y (repeller grid): làm vô hi u các electron ẩ và ion âm đ n b n thu. ế
ả
- H th ng làm tr (retarding grid): tăng th đ đ y các
ế ể ẩ
ệ ố
ễ
ng di chuy n đ n collector.
ể
ươ
ế
ủ ệ ố vô hi u các đi n t
th c p đ
c phát ra t
collector.
ion d - H th ng h y electron (electron suppression grid): làm ượ
ệ ử ứ ấ
ừ
ệ
ự ễ ế ớ ọ ủ ạ
H.1.2 . Hình d ng hình h c c a máy phân tích s tr th v i góc hình nón θ
Khi các ion đ n l i vào c a máy phân tích,và có phân b theo v n t c ế ố ủ
tuân theo phân b Maxwell và đ ng h ậ ố ố ng trong không gian v n ậ ẳ ố ướ
0 là:
A
V
= -
I
pV(cid:0)
m
ax
% eA n v i 0 i 4
0-
ừ
ế
ỏ
θ0 và ồ tr ng thái n đ nh, khi đó dòng ion đ n b n thu c a máy phân tích s ự
ở ạ
ấ ả
ủ
ế
ổ
ị
Theo Roth và Clark, khi dòng ion đ n đ ng nh t trong kh ang t plasma tr th đ
c cho b ng:
ễ ế ượ
ằ
2
q
(
)
(
V-V p
0
A
=
q 2
i vào A t c, t ng dòng ion xuyên qua kh u đ l ố ộ ố ẩ ổ
)
I
c
os
( I V i
m
ax
0
'
' T i
) V-V sec p T i
� � � �
� exp - � � �
� � � � � � � �
q
q
-
, 0
(1.2)
0
V
� � � exp - � � � � � � pV(cid:0)
ầ
=
A
exp -
I
I
(1.3)
ax
m
i
0 =π/2, ta có Khi vecto v > bán c u và θ )p ( � V-V � ' T � � i
� � � �
(cid:0) (cid:0)
ụ ặ
ủ
ư
t nh t thu ữ ệ ấ phóng đi n Penning áp su t th p h n l an v i th ế ớ ấ
ố ỗ ọ
ệ
Hình 1.3 Ví d đ c tr ng c a d li u thô và fit t c t đ ượ ừ plasma Vp=1623V và nhi
t đ đ ng h c ion Ti’=1905eV
.
ệ ộ ộ
ấ ọ
ố
ố
ượ
ng khi đó tr ở
Khi các ion không tuân theo phân b Maxwell, hàm phân b năng l thành:
V
=
V(cid:0)
(1.4)
)
I
f V dV ( )
pV
I V ( i
m
ax
V
p
� 1 � �
� � �
Khi đó Imax cho b i công th c
ứ
ở
(cid:0) (cid:0) - (cid:0)
A
(1.5)
axm
=% v i
m/s
(1.6)
V i ớ
' eE 2 i M
c l y tích phân t
th plasma
ể
ượ ấ
c chu n
ố . N u V ế
ủ
ế
ẩ
ừ ế ∞ → thì khi đó hàm phân b s đ ố ẽ ượ
Trong bi u th c (1.4) hàm phân b ion f(V) đ ứ đ n th V c a máy phân tích ế hóa
= I % n ev i i
=
f V dV )
(
1.0
(cid:0)
(1.7)
pV
ố ủ
ể
ượ
c b ng cách l y vi phân bi u ấ
ể
ằ
hàm phân b c a b n thân các ion f(V) có th thu đ th c ( 1.7), ta đ
ượ
ứ
)
ả c 1
= -
f V (
)
(1.8)
I
dI V ( i dV
m ax
(cid:0)
ng m i, máy phân tích th tr th ng V ph ề ươ ng di n th ệ ươ ế ễ ườ ạ
đ c trang b thêm ph n m m đ th c hi n các phép tóan vi phân bao ượ ể ự ề ệ ầ ị
ng ion. g m c bi u th c (1.8) và v k t qu hàm phân b năng l ẽ ế ả ể ứ ả ồ ố ượ
Đ góp ph n hi u rõ h n các hàm phân b năng l ng ion , ể ể ầ ơ ố ượ
b n v d đi n hình đ c mô trong hình 1.4 . ị ụ ể ố ượ
ụ
ố
ả c l y tích phân thu đ
ượ ấ
các hàm phân b năng l c t ượ ừ
ượ
ộ
Hình 1.4 Các ví d mô t đ năng, trong đó c t bên tay trái là hàm phân b năng l ion và c t bên tay ph i là hàm phân b đ
ng ion ượ máy phân tích s tr th ự ễ ế ng ố c l y tích phân. ố ượ ấ
ộ
ả
ng dùng
ộ
ượ
B phân tích năng l b n cong
ả
ng pháp phân tích năng
ươ
◙ Là ph l ượ
ng ion dùng kh i ph k . ổ ế
ố
t thông tin v hàm phân b ố ề
ế
ng và hàm phân b kh i l
ng
ố ượ
ố kh i plasma
◙Cho bi năng l ượ c a các ion t ủ
ố
ừ
KH I PH K Ố ụ ể
ấ ị ự ụ ủ
ng ho c t Ổ Ế Là d ng c đ tách các h t ch t b ion hóa theo kh i ụ ố ạ ng c a chúng ,ho t d ng d a trên tác d ng c a ạ ộ ng lên chùm ion bay trong tr ặ ừ ườ
Bu ng ồ ion hóa
B phân ộ tích
Ion detector
H th ng ệ ố x lý d ữ ử li uệ ệ
Kh i ố phổ
Bu ng ồ chân không
l ủ ượ đi n tr ườ ệ không gian
KH I PH K Ổ Ế B PHÂN TÍCH:
Ố Ộ
ộ
ng khác nhau thành ng c a các ion so v i ậ ầ ự ệ
ớ ng tùy tr ỹ ạ ệ ừ ườ
t,phép đo ậ ấ ộ i t ả ố
Ạ Ộ
◙ Là b ph n phân ly các ion có kh i l ố ượ t ng ph n d a vào s làm ch ch h ủ ướ ự ừ qu đ o ban đ u c a chúng khi đi vào đi n,t ầ ủ theo t s m/z (mass/charge). ỉ ố ◙ Đi m m u ch t c a kĩ thu t là: đ phân gi ể kh i l ố ượ ố ủ ng chính xác,nh y ạ
ề
ừ ứ ự : có đ phân gi ả ớ ộ c c: có đ phân gi ộ
i l n nh ng c ng k nh ọ ẹ ư i đ l n,c u trúc g n nh ấ ồ ư ả ủ ớ ấ ọ ờ
ả
ng ion cyclotron: không đ ượ ử ụ ưở ộ c s d ng ph ổ
: CÁC LO I B PHÂN TÍCH ◙ B phân tích t ộ ◙ B phân tích t ẹ ộ ◙ B phân tích theo th i gian bay: có c u trúc g n nh nh ng đ ộ ộ phân gi i th p ấ ◙ B phân tích c ng h ộ bi nế
Ộ
B PHÂN TÍCH T C C Ứ Ự
c ụ ượ
ấ ạ g m có 4 tr c ,đ ◙ C u t o: ồ đ t song song t ng đôi m t. ừ ặ ộ
ố ư ộ ọ
ằ ế ợ
-(U+Vcosωt)
ỉ
+(U+Vcosωt)
ế ị
U:đi n th m t chi u ề ế ộ V: đi n th xoay chi u ề ế
ệ ệ
ạ ộ : nh b l c kh i ◙ Ho t đ ng ,v n hành b ng cách k t h p th ế ậ DC và RF.Ch cho dòng ion có qu đ o ỹ ạ n đ nh,cùng t s m/z đ n detector ỉ ố ổ i m t th i đi m. t ể ờ ạ ộ
Ứ Ự
Ế Ộ
Ổ
Ả
T C C CÓ KH NĂNG THAY Đ I CH Đ TRUY N Ề
m1
m2
m1
m2
m3
m3
m4
m4
mass scanning mode U/V = const
m1
m2
m2 m2
m2
m2
m3
m4
single mass transmission mode U,V= const,thay đ i ổ ω
NGUYÊN T C CH N ĐOÁN
Ẩ
Ắ
ượ ố ố ượ
ả ộ
◙ Trong plasma,1 s các ion ng đ d t ra kh i c gia t c,v ỏ ươ mi n bao plasma và đi vào m t ề ộ kh u đ nh ,đ n c p b n cong ỏ ế ặ ẩ đ t song song v i nhau ớ ặ
ộ
ể ng gi a 2 b n cong ◙ Các ion này chuy n đ ng trong đi n tr ệ ườ ữ ả
ể
ườ ộ ữ
ế
◙ Ch có các ion chuy n đ ng ỉ theo đ ng cong chính gi a 2 b n cong đi qua khe thoát đ n ả detector
NG ION
XÁC Đ NH NĂNG L ◙ Đi n tr ữ ệ
ườ
ự
ả
ể
Ị ng gi a 2 b n cong tác d ng l c lên các ion làm chúng chuy n đ ng theo qu đ o cong,lúc ộ này l c đi n tr
ng đóng vai trò l c h
ng tâm:
ƯỢ ụ ỹ ạ ự ướ
ườ
ự
ệ
r gi a 2 b n cong có bán kính cong trung bình song song cách nhau m t kho ng
ng xuyên tâm E
ườ ả ữ ng gi a 2 b n t ả ụ ả ộ
A
2V ◙ Đi n tr ườ ệ R x p x b ng đi n tr ữ ệ ỉ ằ ấ d,và hi u đi n th gi a 2 b n t ả ụ ế ữ ệ ệ
:
◙Năng l ng Joule c a các ion có kh i l ượ ố ượ ủ ng M, v n t c v ậ ố i
◙Th pt (1),(2) vào (3),ta có ế
ng ion v i đi n th DC áp vào 2 ượ ệ ế ớ
(eV) : Năng l b n cong ả
T l ◙ Đi n th áp vào các b n cong
v i: ỉ ệ ớ ệ
ế
ả
ọ ủ
ả
◙ D ng hình h c c a các b n ạ cong
NĂNG L
PHÉP ĐO TR C TI P HÀM PHÂN B Ố Ế Ự NG KHÔNG DÙNG B Ộ ƯỢ PHÂN TÍCH
Ố
L
PHÉP ĐO HÀM PHÂN B NĂNG NG DÙNG B PHÂN TÍCH T Ứ Ộ ƯỢ C CỰ
M t s ph ộ ố
ươ
ẩ
ng pháp ch n đoán khác
Tán x Thomson
ạ
Quang ph kh ki n ổ
ả ế
Quang ph h p th
ổ ấ
ụ
Tán x chùm laser
ạ
Quay phim t c đ cao
ộ
ố
Ộ
Ể
DÙNG MÁY QUAY PHIM T C Ố Đ CAO Đ CH N ĐOÁN Ẩ PLASMA
Ấ
C U T O: Ạ • H th u kính h i ộ ệ ấ
ắ
tụ • T m ch n ấ • G ng quay ươ • Màn phim
Tán x Thomson
ạ
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
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
< 200 nm, monochromator should be
< 110 nm), need spectrometer resolution of
• Identification of ions : mostly l under vacuum (vacuum UV ; l 0.1 to 1 nm (1m focal length -> 0.01 nm resolution, Fabre-Perot interferometer ~ 0.0005 nm resolution
Optical Emission Spectroscopy
• Difficulties
C
• 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
I =
Advantages:
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
beam dump
Diode or Dye Laser
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.
•
[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.
