Transcript TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG GVHD: PGS.

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
Địa chỉ bạn đã tải:
http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html
Nơi bạn có thể thảo luận:
http://myyagy.com/mientay/
Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html
Dự án dịch học liệu mở:
http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo: [email protected]
Gmail: [email protected]
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 từthủy 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 0
e ,i e ,i
2. Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích
thước của miền chứa tập hợp đó:
rD
L
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
Tán xạ chùm
laser
Phân tích quang
phổ phát xạ
Plasma
Tán xạ
Thomson
Đầu dò từ
Đầu dò langmuir
Các phương pháp chẩn đoán
Chẩn đoán
Thông số plasma
Đầu dò langmuir
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).
- 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).
- 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 = f. (1/tm). Amo .Em. Nm
↔ I a = f. (l/t m) . A m0 .Na (gm/ g0).
hν. exp ( -ΔEmo/k T)
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.
Ia chỉ phụ thuộc vào Na
I a =k N a
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:
A
C
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
insulator
I
V
Voltage Generator
plasma
Cấu tạo đầu dò Langmuir
Là một sợi dây kim
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.
Lớp điện môi
Sợi dây kim loại
mảnh làm bằng
Tungsten hay Modylen,
Thép không gỉ
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
Y X
Voltage
Power
amp
- +
Plasma
amp
Ramp
Current
Sensing
Resistor
Current
• Ramp Voltage is applied to
the plasma and the V/I
characteristic is recorded
using an oscilloscope.
• 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.
• These characteristics are
important for setting the
plasma process
parameters.
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.
 Tại biên phân cách giữa vùng trung tính và
vùng không trung tính (x = 0): ne (0)  ne0  ni (0)  ni 0  ns
 Nồng độ e tuân theo phân bố Bolztmann:
V=0
x=0
x
 Ti ≈ 0

 e(V (0)  V ( x)) 
ne ( x)  neo exp 

kT

e


Mật độ dòng e đến đầu dò:

Je 
 ef E dv
x
x
v min
 me 

 en0 
 2kTe 
 1

mev 2  eV     V 0 

 dvx
v vx exp  2
kTe

min



1
2 
Mật độ dòng ion đến đầu dò:

 me 
 e V p  V  

J e  n0e 
exp




2

kT
kT
e 
e






1
 e V p  V  

 n0e v exp 

4
kT
e




1
2
Trong đó:
 8m 
v   e 
 kTe 
1
2
(*’)
 cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được:
 eVp  V 
1
1
I  AJe  AJ i A n0e v exp

A
en0vB

4
kTe 
2


 2M i 
 eV p  V  
1
 exp 

I  A en0vB  1 + 
2

m
kT
e
 e



Trong đó:
A là tiết diện
của đầu dò
Đường đặc trưng Volt - Ampere
Cường độ
dòng điện (μA)
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.
Thế plasma Vp
Thế nổi Vf
Điện thế
Miền B: Dòng ion và
electron đầu dò thu nhận
được:chạm vào nó
1  8kTe 

I i  I e  I p  eA n0 
4  me 
1
2
Cường độ
dòng điện (μA)
Thế plasma Vp
Thế nổi Vf
Điện thế
Nhiệt độ e:
 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.
kTe 2V f  Vp 

e
 2M i 

ln
 me 
Cường độ
dòng điện (μA)
 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.
Thế plasma Vp
Thế nổi Vf
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  1 Aen v
Iion bão hòa << Ie bão hòa do Mi >> me
2
0 0
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:
 kT 
 eV p  V  

I  eAn0  e  exp 
2

m
kT
e 
e



1
2
Trong đó:
Lấy ln hai vế:

 kTe
ln I  ln eAn0 

 2me




1
2

 eV p  V  

exp 
kTe 


1


 kTe  2   eV p  V  

 +  

 ln eAn0 


2

m
kT
e 
e



 
eV  V p 
 ln I p +
kTe
 ln I  ln I p 

eV  V p 
kTe
V Vp
V Vp
kTe


e
ln I  ln I p
 I 
ln 
I 
 p
(*)
(**)
 kTe
I p  eAn0 
 2me



1
2
là cường độ dòng electron
bão hòa (tại V ≈ Vp)
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
kT
thẳng này là e
e
kTe
Dodoc  tg 
e
Từ đây, ta xác định được nhiệt
độ của electron trong plasma:
α
etg 
Te 
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:
 kTe
I p  eAn0 
 2me



1
2
Với nhiệt độ electron trong plasma đã xác định ở trên,
ta có thể tính được nồng độ electron (hay ion) trong plasma:
n0 
Ip
 kTe
eA
 2me



1
2
Typical Langmuir Probe I-V Curves
full I-V curve
floating potential
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 p (Vp )  Ii + Iem  Ie
Dòng phát xạ:
I em
 e 
 Aem A T exp  

k
T
 B 
*
2
Với Aem là diện tích phát xạ ,
A* là hằng số Richardson,
Tω là nhiệt độ của đầu dò
w là công thoát điện tử bề mặt đầu dò.
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
Idis
300-600 V
A
Vdis
V
1
2
P LAS MA
3
Vpr
V
Ipr
A
-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
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:
V
j=
RA
Với : R là điện trở trong mạch
A là tiết diện đầu dò
Đầu dò Faraday trong LVTF
ĐẦU DÒ FARADAY
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:
 
2
Chỉ số khúc xạ chuẩn
của giao thoa kế
L
1    x dx

 0
rad (1.1)
Chỉ số khúc xạ của
ống plasma
L: quãng đường truyền của sóng viba trong plasma (m)
SỰ PHỤ THUỘC GIỮA MẬT ĐỘ ELECTRON CỦA PLASMA
VÀ ĐỘ DỊCH PHA
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:
 2 pe
n  x
  x  1 2  1

nc
Trong đó:
(1. 2)
n (x) : mật độ electron (electron/m3)
nc : mật độ giới hạn (mật độ cắt) (electron/m3)
nc 
 0 me 2
e
2
(1. 3)
SỰ PHỤ THUỘC GIỮA MẬT ĐỘ ELECTRON CỦA PLASMA
VÀ ĐỘ DỊCH PHA
Trong hầu hết plasma phóng điện phát sáng: n(x) << nc
  x  1
n  x
  x  1
nc
n  x
2nc
(1. 4)
Thay 1.4 vào 1.1 ta được:


 
n  x  dx 
n  x  dx


 nc 0
cnc 0
L

L
: là tần số của bức xạ viba (Hz)
(1. 5)
SỰ PHỤ THUỘC GIỮA MẬT ĐỘ ELECTRON CỦA PLASMA
VÀ ĐỘ DỊCH PHA
Mật độ trung bình của electron trong plasma được định nghĩa
L
1
ne   n  x  dx
L0
(1. 6)
Thay 1.6 vào 1.5 ta có:
 
 Lne
(1. 7)
cnc
cnc
4 c 0 m
ne 
 

2
 L
Le
(1. 8)
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
Consider these two beams of electromagnetic radiation
E1  E0 sin  t  and
E2
 E0 sin  t +  
When combined with a phase difference  they give a resultant electric field
Et
 2 E0 sin  t +  2  cos  2 
When these combined beams fall on a square-law detector the output
of the detector
Vout
 2 E02 1 + cos  
+
higher-order terms
The phase shift of a beam of EM radiation passing through a plasm a
 

0


kd
0


c
d
where k

2

The phase difference measured by an interferometer


 k
0
plasma
 k0  d


   1 c d
0
Now for a plasma

2
now for
 1 +  2p  2
 1 + ne e 2  2 m 0
ne e 2  2 m 0
1
  1 + ne e
2
2
 1
 m 0
2
(usual case for this diagnostic)
so that


1
2
ne e 2  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
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:
I max
eA0 ni vi

4
A
V
 Vp
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:
   V-Vp  
  V-Vp  sec2 0  
Ii V   I max exp - '   cos20exp 
'
Ti

 
  Ti 
V
 Vp
,0
   0
A
(1.2)
Khi vecto v > bán cầu và θ0 =π/2, ta có
  V-Vp  
I i  I max exp 
'
Ti


A
(1.3)
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:
V

I i (V )  I max 1   f (V )dV 
 Vp

Vp  V  
(1.4)
Khi đó Imax cho bởi công thức
I max  ni evi
Với
2eEi'
vi 
M
A
(1.5)
m/s
(1.6)
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


Vp
f (V )dV  1.0
(1.7)
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 dIi (V )
f (V )  
I max dV
(1.8)
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
lượng của chúng ,hoạt dộng dựa trên tác dụng của điện
trường hoặc từ trường lên chùm ion bay trong không
gian
Buồng
ion hóa
Bộ phân
tích
Ion
detector
Buồng
chân
không
Hệ thống
xử lý dữ
liệuệ
Khối
phổ
KHỐI PHỔ KẾ
BỘ PHÂN TÍCH:
◙ 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
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
BỘ PHÂN
TÍCH TỨ CỰC
◙ Cấu tạo: gồm có 4 trục ,được đặt
song song từng đôi một.
-(U+Vcosωt)
+(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
m2
m4
m1
m3
m4
m3 m2
m1
mass scanning mode
U/V = const
m2
m4
m1
m3
m2
m2
single mass transmission mode
U,V= const,thay đổi ω
m2
m2
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
Atom or ionElectronic excitation
Line
Ionization
Translation
Electrons
Recombination
Free-free transition
Molecules
Rotation
Vibration-rotation
Electronic excitation
Type of spectrum
Spectral region
UV-visible-IR
Continuum
UV-visible-IR
Line profiles
Continuum
UV-visible
Continuum
IR
Line
Far-infrared
band
IR
band systems
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
• 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;
Emission intensity
of inert gas
Ir
Fr
C
Ii
Fi
Concentration of
reactive species
• Electron temperature or electron energy distribution can be
obtained from the line ratio measurements.
Absorption Spectroscopy
Advantages:
• Absorption spectroscopy can supplement the optical emission
diagnostics which are limited the the existing excited species.
• Requires higher resolution to overcome background radiation.
-σnl
• Easy implementation
Ir  Iroe
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 NdYAG 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 imageintensified CCD camera
observes the image of the
fibers.
http://www-jt60.naka.jaeri.go.jp/diag/html/diag_30.html