Diagnostika plazmatu

Mezi základní parametry plazmatu patří jednak tzv. makroparametry (například tlak, intenzita elektrického pole, driftová rychlost částic či velikost elektrického proudu procházejícího plazmatem) a pak mikroparamtery (ke kterým řadíme kupříkladu koncentraci daného druhu částic n_i, teplotu tohoto druhu částic T_i, rozdělovací funkci f_i nebo střední srážkovou frekvenci mezi dvěma druhy částic ν_ik).

V této kapitolce stručně zmíníme přehled metod, kterými v našich laboratořích výše uvedené mikroparametry určujeme. Tyto metody obvykle dělíme na aktivní (kontaktní) a pasivní (bezkontaktní). Jak už název napovídá, kontaktní metody jsou ty, při kterých (narozdíl od metod pasivních) do plazmatu přímo něco vkládáme (např. záření, sondu).

Při výběru metody hraje vedle její dostupnosti a počtu parametrů, které jsme schopni s jejím použitím určit, také míra zásahu do vlastností plazmatu. Je zřejmé, že naší snahou musí být co nejméně plazma při měření ovlivnit, abychom dosáhli relevantních výsledků.

Sondové metody

Vůbec nejstarší metodou zkoumání parametrů plazmatu je tzv. jednosondová metoda, za jejímž zrodem stojí pánové Langmuir a Mott-Smitt. Spočívá v tom, že do plazmatu v elektrickém poli vložíme speciálně upravenou elektrodu, kterou nazýváme sonda.

Sonda (příklad).

Jde tedy o metodu aktivní, proto musíme (s ohledem na co nejmenší ovlivnění plazmatu) klást na sondu značně vysoké požadavky co se tvaru, velikosti, typu a vlastností materiálu, z něhož je vyrobena, týče.

Na sondu je přivedeno napětí a jeho změnou můžeme při současném měření proudu procházejícího sondou získat voltampérovou charakteristiku, nazývanou sondová charakteristika.

Příklad sondové charakteristiky.

Z obrázku je vidět, jak se charakteristika v oblasti nasyceného elektronového proudu liší v závislosti na tvaru sondy. Zlogaritmujeme-li tuto závislost, jsme schopni ze směrnice tečny ke vzniklé křivce určit elektronovou teplotu T_e. Na základě její znalosti je pak možné spočíst koncentraci elektronů (která je v důsledku kvazineutrality plazmatu přibližně stejná jako koncentrace kladných iontů). Dále tato metoda slouží např. ke stanovení potenciálu plazmatu.

Někdy je potřeba znát velikost elektrického pole mezi dvěma místy v plazmatu. V takovém případě místo jedné sondy použijeme sondy dvě.

Výbojová trubice se sondami.

Z naměřené voltampérové charakteristiky jsme schopni kromě velikosti elektrického pole mezi oběma sondami určit také velikost nasyceného iontového proudu.

Příklad dvousondové charakteristiky (R je poměr driftové rychlosti ku tepelné rychlosti elektronů).

V tomto případě se sondy používají k měření plovoucích potenciálů, v ionosféře i k určení elektronové teploty z charakteristiky. V některých aplikacích se místo jedné ze sond používá těleso družice, které má větší plochu než sonda, a jedná se tedy vlastně o jednosondové měření.

Sondová měření jsou stále velice rozšířená, neboť tato metoda nám přes svou značnou jednoduchost poskytuje celou řadu plazmatických parametrů. Hlavní nevýhodu je poměrně značná chyba metody, neboť sonda představuje velice hrubý zásah do plazmatu přes veškerou snahu o jeho minimalizaci.

Vysokofrekvenční (mikrovlnné) metody

Mikrovlnné metody mohou být jak aktivní tak i pasivní. Mikrovlnné pásmo použité v těchto metodách sahá svým rozsahem vlnových délek řádově od jednotek metru po milimetry.

Aktivní metody

V aktivních metodách vystavíme plazma vysokofrekvenčnímu poli a pozorujeme vzájemnou interakci. Plazma jakožto vodivé prostředí může vést vysokofrekvenční signál. V důsledku vlastností plazmatu však existuje tzv. plazmatická frekvence, představující dolní mez frekvencí mikrovln, které ještě mohou plazmatem projít. Je-li frekvence dopadající vlny menší než plazmatická, vlna se od plazmatu pouze odrazí. Hodnota plazmatické frekvence je úzce spjata s koncentrací částic v plazmatu, a to nepřímou úměrou. Výše uvedené tvrzení můžeme tedy přeformulovat takto: dopadající vlna při dané frekvenci vstupuje do plazmatu, je-li koncentrace částic v plazmatu nižší, než určitá kritická hodnota; v opačném případě se odráží. Tohoto efektu můžeme využít například tehdy, existují-li v plazmatu vedle sebe oblasti o různých koncentracích – od míst s nadkritickou koncentrací se dopadající mikrovlny odráží, a my tak získáme něco jako stroboskopický obrázek.

Pokud se dopadající vysokofrekvenční elektromagnetická vlna od plazmatu neodrazí a začne jím procházet, dochází k jejímu zeslabování s rostoucí dráhou uraženou v plazmatu. Parametr, který udává zmenšování elektrické, resp. magnetické složky vlny podél dráhy, označujeme γ a nazýváme jej konstanta šíření. Konstanta šíření je komplexní číslo, jehož reálná složka, tzv. útlum, představuje změnu amplitudy, zatímco imaginární složka (zvaná fáze) změnu fáze.

Aktivní metody jsou založeny na měření změn konstanty šíření (útlumu i fáze) po průchodu vlny plazmatem. Z těchto změn je možné určovat různé parametry, například koncentraci. V případě tzv. rezonátorové (rezonanční) metody je plazma umístěno v rezonátoru. Měření změny konstanty šíření je převedeno na měření rezonanční křivky a kvality rezonátoru. Z těchto údajů je možno určit hustotu elektronů a efektivní srážkovou frekvenci.

Průřez toroidálním rezonátorem.

Pasivní metoda – detekce šumových teplot

Pasivní metoda spočívá v detekci a zkoumání mikrovlnného záření vydávaného plazmatem v důsledku urychlení elektronů v poli atomů či iontů. V plazmatu navíc detekujeme tzv. šumový proud způsobený náhodným pohybem elektronů vlivem jejich urychlení. Změříme-li tento proud, jsme schopni určit i šumovou teplotu, kterou za určitých předpokladů pokládáme rovnu elektronové. Metoda detekce šumových teplot tedy umožňuje získání elektronové teploty.

Srovnáme-li četnost použití této metody a sondové diagnostiky, vzhledem k menší náročnosti se elektronová teplota častěji získává ze sondové charakteristiky. Ne vždy je ovšem možno sondu v plazmatu použít, a právě tehdy se detekce šumových teplot uplatní.

Optické metody

Optické metody mohou fungovat jak v aktivní podobě, kdy plazma z vnějšku ozařujeme optickým pásmem a pozorujeme interakce, tak v pasivní formě, která spočívá v analýze a vyhodnocení spektra detekovaného z plazmatu. Šířka optického pásma zasahuje od blízkých UV až po blízké IR oblasti.

Mezi hlavní optické metody patří metoda optické emisní spektroskopie, která je založená na detekci a analýze záření emitovaného excitovanými částicemi v plazmatu. Příkladem jejího užití je určování vibračních a rotačních teplot na základě změřené intenzity emitovaného záření. Základní rovnicí optické emisní spektroskopie je vztah mezi intenzitou emitovaného záření a koncentrací částic v excitovaném stavu. Jak víme, u molekul existují kromě elektronových kvantových stavů také stavy vibrační a rotační, které rovněž mohou být excitovány. S obsazením excitovaných hladin je (za určitých předpokladů) jako parametr spjata vibrační resp. rotační teplota. Rotační teplota má navíc velký význam proto, že se její hodnotou aproximuje hodnota teploty neutrálních částic, která má zásadní vliv na procesy probíhající v plazmatu. Teplotu neutrálů je možné rovněž určit ze změny indexu lomu za použití Machova interferometru.

Optické metody obecně patří k hlavním diagnostickým metodám pro doutnavý výboj. Jejich předností je to, že takřka neovlivňují zkoumané plazma a že jejich použitím lze získat množství parametrů výboje.

Závěrem je důležité říci, že chyba diagnostických metod se pohybuje mezi deseti až dvaceti procenty. Chyba je způsobena buď narušením plazmatu, nebo, pokud do plazmatu nezasahuji, je chyba důsledkem zjednodušujících předpokladů. Chybu s sebou tedy přináší jak aktivní, tak i pasivní metody.

Poznámka: Výše uvedené metody zdaleka nejsou jedinými způsoby diagnostiky plazmatu (uvést vše by vydalo na nejednu knihu) – jedná se spíše o přehled těch, o kterých se budete v kurzech fyziky plazmatu učit a se kterými se v našich laboratořích můžete setkat.

---

<< Předchozí (Elementární procesy)

[Nahoru]

Další (Výboje) >>