METODE DE DIAGNOSTICARE A PLASMEI

Transcript

1 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii Caitolul VIII METODE DE DIAGNOSTICARE A PLASMEI Duă cum ris chiar din dfiniţia stării d lasmă, a st un mdiu foart comlx, cu mult grad d librtat ntru comonntl i şi cu mulţi aramtri car trbui luaţi în considrar atunci când s intnţionază laborara unui modl fizic sau matmatic. Măsurara aramtrilor fizici ai stării d lasmă într-o maniră clară, rcisă şi mai als rroductibilă st o oraţiun xtrm d dificilă. Est aroa imosibilă măsurara sau dtrminara cu xactitat a tuturor mărimilor fizic car caractrizază o lasmă. Evoluţia în tim şi saţiu a uni lasm oat fi caractrizată numai cu un anumit grad d incrtitudin doarc unl rocs voluază xtrm d raid. Aici utm să xmlificăm instalaţia d lasmă focalizată în car lasma îşi modifică într-un intval d tim foart scurt atât oziţia în saţiu, cât şi valoril unor aramtri caractristici (dnsitata d lasmă, tmraturil comonntlor). P lângă forma, dimnsiunil şi localizara lasmi, rzintă intrs o sri întragă d alţi aramtri car o caractrizază: concntraţia, tmraturil cintic al comonntlor, tmraturil d xcitar, ionizar, rotaţional, vibraţional tc., conductibilitata trmică, tnsorul dilctric, rzistivitata, frcvnţa d ciocnir, frcvnţa d lasmă, radiaţia lasmi, coficintul d absorbţi radiativă, stabilitata sau instabilitata, tc. Acastă mar varitat d aramtri caractristici imlică şi o mar divrsitat d mtod d măsurar sau dtrminar a lor. Mtodl rin car s ralizază acst dtrminări sunt cunoscut sub dnumira d mtod d diagnosticar. În gnral, mtodl d diagnosticar s ot clasifica în mai mult catgorii, dintr car amintim: (1) mtod otico-sctral; () mtod lctric; (3) mtod d radiofrcvnţă şi (4) mtoda smnallor ntrmic. În lucrara d faţă n rounm să facm doar o rzntar a câtorva dintr l, fără rtnţia d a l uiza, doarc lor l sunt ddicat lucrări car s ocuă doar d diagnosticul lasmi. 8.1 Mtod otico-sctral Duă cum sugrază şi dnumira acsti clas d mtod d diagnosticar, a s bazază radiaţia lctromagntică a lasmi, radiaţi car curind un sctru foart larg d lungimi d undă: radiaţii X, ultraviolt, vizibil sau chiar radiaţii în gama radio sau micround. Poat că rima mtodă d diagnosticar a 149

2 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi lasmi a fost ca fotografică, rin car s-au utut dtrmina forma, oziţia şi zonl caractristic al lasmi. Cu timul anilor, mtodl au voluat şi s-au divrsificat şi robabil că voluţia lor va continua măsura dzvoltării thnologiilor modrn Diagnosticul sctroscoic Acastă mtodă d diagnosticar s bazază folosira mtodlor sctroscoii otic cu ajutorul cărora s analizază linii şi bnzi d misi în scial în domniil ultraviolt şi vizibil. Dacă lasma s află la chilibru trmodinamic local (LTE) misia sctrală a i st ractic indndntă d rorităţil articullor comonnt şi a st dscrisă d lga corului ngru a lui Planck. Pntru a uta dtrmina tmratura lasmi ar trbui să facm măsurători absolut al nrgii radiat d lasmă în unitata d intrval sctral, ca c st ractic imosibil. D aca, mtodl sctroscoic s bazază măsurători rlativ al unor mărimi sctroscoic. Mtoda invrsii linii sctral ncsită o sursă sctrală adiţională, cu tmratura d cor ngru mai mar dcât ca a lasmi. Ea st alicabilă lasmlor rlativ rci cum ar fi flacăra, arcul lctric sau lasma culată caacitiv. Sursa sctrală adiţională trbui să fi calibrată, ntru a s cunoaşt cu xactitat tmratura corsunzătoar uni anumit intnsităţi d misi la o anumită lungim d undă. Princiiul acsti mtod st rzntat în Fig.8.1. Fig.8.1 Princiiul invrsii linii sctral. Enrgia totală misă la o anumită lungim d undă d sursa calibrată oat fi modificată rin rglara tmraturii sursi (modificara intnsităţii curntului d alimntar). Dacă tmratura sursi T s st mai mică dcît tmratura lasmi T, atunci radiaţia sursi st absorbită d lasmă şi misia lasmi st mai mică dcât fără sursă (misi st sctrul continuu). În momntul în car T s = T, întraga radiaţi misă d sursă st absorbită d lasmă, din misia lasmi disar radiaţia cu lungima d undă studiată şi sctrul continuu nu st altrat. Dacă T s > T, o art din radiaţia sursi st absorbită d lasmă, rstul o travrsază şi linia atomică aar ca o absorbţi st sctrul continuu. În momntul în car linia d misi s transformă într-o lini d absorbţi, tmratura lasmi st gală cu a sursi Una dintr mtodl folosit scară largă ntru dtrminara tmraturilor d xcitar nivl atomic, vibraţional sau rotaţional st ca car s bazază măsurara intnsităţilor rlativ al liniilor sctral d misi atomică, rsctiv al liniilor din bnzil vibraţional sau rotaţional. 150

3 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii Evidnt, ultiml două mtod s ot alica doar în cazul lasmlor car au în comoziţia gazului matri rimă şi gaz molcular. Lga lui Boltzmann xrimă raortul oulaţiilor a două nivl m şi n al unui atom sau ion, nivl car au ondril statistic g m şi g n şi nrgiil intrn - E m şi -E n (limita continuumului st E = 0): Em En m g m = (8.1) n g n N N In gnral s rfră utilizara otnţiallor d xcitar al nivllor m şi n (V xc = 0 ntru nivlul fundamntal), rlaţia (8.1) dvnind: Vm Vn V nm N m gm N g g m g = = (8.) n n n Dacă N st numărul total d articul şi N 1 st oulaţia nivlului fundamntal (ntru car V 1 = 0), atunci: V V3 Vm N 1 = = N N i g1 + g + g g m +... (8.3) i g1 Exrsia din arantză rrzintă funcţia d artiţi, B(T), a ansamblului d articul: BT ( ) = g (8.4) i i V i Din rlaţiil (8.1), (8.3) şi (8.4) s obţin următoara xrsi ntru oulaţia nivlului m (în rlaţia (8.1) s va considra n = 1): V m N N BT g m = m (8.5) ( ) Intnsitata radiaţii fotonic mis la tranziţia d nivlul m nivlul n (m n) va fi dată d rlaţia: I = N A hν = mn m mn nm m m N BT g A h mn ν ( ) V nm (8.6) în car A mn st robabilitata d misi sontană, iar h st constanta lui Planck. Dat fiind dificultăţil xrimntal car aar în măsurara intnsităţilor absolut al radiaţiilor mis d un ansamblu d articul, rcum şi cl lgat d valuara numărului total d articul, N, şi a funcţii d artiţi, B(T), rlaţia (8.6) nu oat fi utilizată ca atar ntru dtrminara tmraturii uni comonnt a lasmi. Ea stă însă la baza unor mtod xrimntal d dtrminar a tmraturii. 151

4 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi Dtrminara tmraturii d xcitar din intnsitata rlativă a radiaţii sctral s bazază xrimara raortului intnsităţilor absolut a două radiaţii cu frcvnţ difrit, mis d aclaşi sistm d articul: I mn N m Amn hνnm = (8.7) I N A hν q q q Dacă s xrimă raortul N m /N, d o art din rlaţia (8.7) şi d alta din rlaţia (8.), s obţin rlaţia: I I mn q A A q mn ν ν q nm gm = g Vm V (8.8) Logaritmând acastă rlaţi şi xrimând otnţiall d ionizar în V, s obţin rlaţia: lg I g A mn q ν q 5040 = ( Vm V) (8.9) I q gmamn ν nm T în car rodusl d forma ga sunt robabilităţi d tranziţi şi l sunt tablat (ca d altfl şi otnţial d xcitar) ntru divrs scii atomic. Dacă acst informaţii sunt accsibil, atunci, măsurând intnsităţil şi lungimil d undă a două radiaţii fotonic al acliaşi scii atomic, rlaţia (8.9) oat fi folosită ntru dtrminara tmraturii d xcitar lasmi. Din xrinţa d ână acum s-a constatat că mtoda ofră rzultat acctabil numai dacă V m - V 1V. Dtrminara tmraturii d xcitar din rrzntara grafică Boltzmann. Dacă în loc d robabilităţil d tranziţi ga s folossc forţl (tăriil) oscilatorilor, f, într car xistă rlaţia: nm gmamn = 8 π ν gnf 3 nm (8.10) mc atunci, rlaţia (8.6) dvin: 3 V m Imnc 8π Nh g f m BT = 3 (8.11) n nmνnm ( ) Dacă în acastă rlaţi s trc d la frcvnţl radiaţiilor la lungimil lor d undă şi aoi s logaritmază, ţinându-s cont d rfrinţa ntru xrimara otnţialului în V, s obţin xrsia: I mnλ 3 nm 5040 lg = const. g f T V m (8.1) n nm 15

5 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii Fig.8. Drata Boltzmann ntru dtrminara tmraturii. Măsurîndu-s intnsităţil şi lungimil d undă al radiaţiilor mis d o sci atomică din lasmă şi cunoscându-s cllalt mărimi car aar în rlaţia (8.1), s oat rrznta grafic trmnul din stânga al rlaţii în funcţi d otnţialul d xcitar (Fig.8.). Acst grafic st o drată, din anta căria s oat dtrmina tmratura scii rsctiv conform rlaţii: T = 5040 K (8.13) tgβ Analiza sctroscoică a liniilor d misi oat furniza o sri d informaţii util dsr aramtri lasmi şi rorităţil i. Astfl, din dsicara liniilor sctral datorată fctului Stark s ot dtrmina intnsităţil câmurilor lctric în difrit zon al lasmi sau concntraţiil d ioni car gnrază câmuri lctic intns. Cl mai ronunţat fct Stark st rznt în lasml car conţin atomi hidrognoizi. Un alt fct din car s ot obţin informaţii st lărgira linii sctral. În funcţi d mcanismul rin car ar loc acst rocs (lărgira naturală, lărgira Dolr, lărgira datorată intracţiunilor dtrminat d câmuril lctric din lasmă tc.) s ot dtrmna dnsităţil d ioni, vitza d drift a lasmi sau tmratura ionică. Din măsurara radiaţii d frânar (Brmsstrahlung) misă d lctroni s ot calcula tmraturil şi dnsităţil lctronilor. Din măsurători d absorbţi în lasmă a radiaţii luminoas s ot dtrmina concntraţiil articullor nutr, cu condiţia ca radiaţia incidntă să corsundă uni tranziţii rzonant a nutrilor. Toat mtodl otico-sctral dscris antrior (cu xcţia mtodi bazat absorbţia luminii) nu rsuun intracţia dirctă cu lasma şi d aca l intră în catgoria mtodlor asiv Mtod lasr 153

6 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi Mtoda fascicullor lasr st o mtodă d diagnosticar activă doarc, ca şi mtoda bazată absorbţia luminii, rsuun o rturbar a stării iniţial a lasmi. Probabil că ca mai folosită dintr mtodl bazat intracţia radiaţiilor otic cornt şi monocromatic st intrfromtria otică. Cu ajutorul i s oat dtrmina concntraţia articullor lasmi fără a fi ncsară cunoaştra tmraturii i. În Fig.8.3 st rzntată schma d rinciiu a instalaţii intrfromtric d ti Mach-Zhndr. Fig.8.3 Intrfromtrul Mach-Zhndr. S sursă lasr; L 1,L lntil; O 1,O 4 oglinzi smitransarnt; O,O 3 oglinzi cu rflxi totală; F filtru intrfrnţial; E cran. Indicl d rfraţi al lasmi, n r, dfinit ca raortul dintr vitza d fază în vid şi vitza d fază în lasmă a radiaţii luminoas st: ω 1 n r = (8.14) ω Dacă frcvnţa radiaţii luminoas st mult mai mar dcât frcvnţa d lasmă ω ω ), atunci indicl d rfracţi s oat aroxima rin rlaţia: ( nr ω 1 (8.15) ω şi, ţinând sama d xrsiil frcvnţlor d lasmă şi a radiaţii lasr, rlaţia (8.15) dvin: n λ nr 1 = (8.16) 8π c ε m o 154

7 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii în car λ st lungima d undă a radiaţii lasr. Dacă lungima drumului gomtric străbătut d fascicolul lasr rin lasmă st l, atunci dlasara a figurii d intrfrnţă, car st o mărim măsurabilă, va fi: l( n 1) = r (8.17) λ Înlocuind xrsia (8.16) în rlaţia (8.17) s obţin o rlaţi d forma: = const. lλ (8.18) n Cunoscând dimnsiunil gomtric al lasmi şi lungima d undă a radiaţii lasr şi măsurând dlasara figurii d intrfrnţă dtrminată d rznţa lasmi, din rlaţia (8.18) s oat calcula dnsitata d lctroni n. Există şi alt fct otic baza cărora s ot dtrmina unii aramtri ai lasmi. Astfl, xistnţa gradinţilor d concntraţi a articullor din lasmă dtrmină modificara dircţii d roagar a fascicolului lasr (fctul schlirn ). Astfl, într variaţia concntraţii şi variaţia razi d curbură r a traictorii fascicolului lasr xistă rlaţia: r n = sinϕ (8.19) r n în car ϕ st unghiul d dvir al fascicolului lasr. Din măsurara unghiului d rotaţi θ a lanului d olarizar a radiaţii incidnt în rznţa unui câm magntic longitudinal (fct Faraday) ca urmar a unui arcurs d lungim l rin lasmă: θ = const. λ B l (8.0) s oat dtrmina dnsitata d lctroni n. n 8. Mtod lctric 8..1 Vizualizara voluţii în tim a unor aramtri ai lasmi Unl dintr mtodl d măsură folosit în circuitl lctric şi lctronic ot fi folosit şi ntru măsurara unor aramtri şi mărimi caractristic al lasmi. În Fig.8.4 Est rzntat un inch-z îmrună cu cîtva dintr acst mtod. Plasma st rodusă rin închidra întrruătorului raid S urmată d dscărcara uni batrii d condnsatori d înaltă tnsiun şi caacitat mar. În incinta d dscărcar s va rodoc o lasmă sub forma unui cilindru gol, car îşi va micşora raza foart raid, lasma voluând sr axul i. Cu ajutorul circuitlor rzntat în figură ot fi urmărit voluţiil în tim al curntului rin dscărcar, tnsiunii dintr lctrozi şi câmului magntic gnrat d curnţii din lasmă. 155

8 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi Cntura Rogowski (R) st un transformator d curnt d formă toroidală, cu diamtrul torului D 1 şi având N 1 sir cu diamtru d 1. Duă cum s oat obsrva, rin cntrul i trc conductorul d alimntar a unuia dintr lctrozii dscărcării. Când rin acsta trc un curnt tranzitoriu cu intnsitata momntană i, tnsiuna lctromotoar indusă în cntură va fi: u R dφ d i d 1 µ o π 1 = N = N = const dt dt D 1 1. π 1 4 di dt (8.1) Acastă tnsiun st intgrată d circuitul R 1 C 1 şi aoi st alicată circuitul d dflxi vrticală o osciloscoului O 1. Tnsiuna măsurată cu osciloscoul st roorţională cu intnsitata curntului rin lasmă şi oat fi urmărită voluţia lui în tim. Smnalul bază d tim ntru toat cl tri osciloscoa st dclanşat sincron d cătr un imuls rovnit d la întrruătorul raid S, în momntul închidrii. Fig.8.4 Urmărira voluţii în tim a unui inch-z. Rzistnţl R 3 şi R 4 formază un divizor d tnsiun, astfl încât osciloscoul O va fi vizualizată voluţia în tim a tnsiunii într lctrozii car mnţin lasma. Cu M a fost notată sonda magntică folosită ntru unra în vidnţă a câmului magntic din lasmă sau din aroira i. Ea st o bobină cu N sir cu diamtru d. Variaţia intnsităţii curntului rin lasmă va gnra un câm magntic variabil car, la rândul său, va induc la bornl sondi o tnsiun lctromotoar dată d rlaţia: 156

9 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii u M dφ d d π = N = N B = const dt dt. 4 db dt (8.) Acastă tnsiun st intgrată d cătr circuitul R C, astfl încât osciloscoul O va monitoriza voluţia în tim a inducţii magntic în unctul în car s află lasma. Dacă sonda magntică st astfl orintată încât să fi snsibilă la comonnta tangnţială, B θ, a câmului magntic, atunci tnsiuna indusă în a va fi nulă ână în momntul în car stratul conductor d lasmă va trc rin locul în car s află a. 8.. Mtoda sondlor lctric Ida d a folosi un mic lctrod mtalic introdus într-un anumit unct din lasmă ntru dtrminara unor aramtri intrinsci ai lasmi îşi ar robabil origina în thnicil folosit ntru dtrminara surafţlor chiotnţial din lctroliţi. In anul 194 Langmuir şi Mott-Smith au rous o thnică riguroasă d sondă car, ultrior, a dvnit una dintr cl mai folosit ntru diagnosticara lasmlor. Sonda Langmuir-Mott-Smith st un mic lctrod mtalic car oat ava formă lană, sfrică sau cilindrică, introdus într-un anumit unct al lasmi şi căruia i s alică o difrnţă d otnţial lctric faţă d unul din lctrozii tubului d dscărcar. Condiţia snţială car trbui să o îndlinască o sondă st aca d a nu dvni un lmnt rturbator ntru lasmă, adică rznţa i să nu modific aramtrii şi comortara acstia (d xmlu să nu dvină un al trila lctrod al dscărcării). Dacă s lucrază în anumit condiţii d rcauţiun, ot fi obţinut situaţii în car sonda dtrmină numai o rturbaţi locală şi limitată a lasmi, fără a afcta mărimil c trbui dtrminat. Folosira sondi dvin astfl una dintr uţinl mtod car rmit dtrminara locală a mărimilor d intrs în fizica lasmi, cum ar fi: dnsitata şi tmratura urtătorilor d sarcină (lctroni, ioni), otnţialul lctric al lasmi, otnţialul rţilor tubului, câmul lctric, distribuţia saţială a otnţialului, distribuţia nrgtică a urtătorilor d sarcină. Dacă sonda s introduc în coloana ozitivă a uni dscărcări lctric în curnt continuu, atunci schma d olarizar a lctrozilor tubului şi a sondi st ca rzntată în Fig.8.5, în car E a şi E s sunt surs d tnsiun continuă rglabilă. Cu V A, V S şi V P au fost notat otnţiall faţă d catod al anodului, sondi şi rsctiv lasmi. Dacă otnţialul lasmi s raortază la otnţialul anodului, atunci difrnţa U o =V P -V A mai st cunoscută şi sub dnumira d otnţial saţial. D asmna, difrnţa U=V S -V A st otnţialul sondi faţă d otnţialul anodului şi a oat fi măsurată cu ajutorul voltmtrului V. Cu ajutorul rlaţiilor d mai sus oat fi xrimată difrnţa dintr otnţialul sondi şi otnţialul lasmi -V=V S -V P =U-U o car st o mărim car nu oat fi măsurată dirct. Dar, doarc U o st constant (dacă E a s mnţin constant şi 157

10 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi sonda nu rturbă lasma), rzultă că V = U, variaţi car oat fi măsurată xrimntal. Fig.8.5 Schma lctrică ntru ridicara caractristicii d sondă. Potnţialul sondi, V S, oat fi făcut mai mar, mai mic sau chiar gal cu otnţialul lasmi, V P, astfl încât utm aranja ca sarcinil lctric car sunt transortat la sondă să fi numai ioni ozitivi, numai lctroni sau să fi şi lctroni şi ioni ozitivi. Mrgând acastă id, nu st gru să n dăm sama că intnsitata curntului d sondă, I S, st datorată fi ionilor ozitivi, fi lctronilor, fi amblor tiuri d urtători d sarcină. Dndnţa funcţională a intnsităţii curntului din circuitul d sondă, I S, d tnsiuna U (sau tnsiuna V) oartă dnumira d caractristică voltamrică d sondă (Fig.8.6). Rrzntara sub forma I S =f(v) st idntică din unct d vdr al asctului curbi, cu dosbira că origina axi U s mută la nivlul linii unctat. Fig.8.6 Caractristica uni sond siml. Rgiuna AB a caractristicii d sondă st rgiuna ionică, în car otnţialul sondi st ngativ faţă d cl al lasmi (d obici câtva sut d 158

11 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii volţi). In acastă situaţi, ionii ozitivi din lasmă sunt acclraţi cătr sondă iar lctronii sunt frânaţi, astfl încât la curntul d sondă articiă doar rimii. Atunci când sonda st utrnic ngativată, în jurul i s formază un strat d sarcină saţială ozitivă car va dtrmina aariţia saturaţii curntului d sondă. La tnsiuni d ngativar mai mici, stratul d sarcină saţială s diminuază, şi o art din lctroni (ci cu nrgi cintică mai mar) vor înving otnţialul rtardant din saţiul lasmă-sondă, contribuind şi i la formara curntului d sondă. Est cazul orţiunii BC a caractristicii d sondă, numită rgiuna curntului ionic şi lctronic. Astfl s va obţin situaţia în car, dşi otnţialul sondi faţă d lasmă st ngativ, totuşi curntul d sondă va fi nul (unctul N) doarc lctronii din lasmă sunt mai nrgtici dcât ionii. Dacă s micşorază şi mai mult ngativara sondi faţă d lasmă, ractic întrgul curnt d sondă s va datora lctronilor, obţinându-s orţiuna CD a caractristicii d sondă, numită şi rgiuna curntului lctronic. Când otnţialul sondi dvin ozitiv faţă d otnţialul lasmi, în jurul acstia s formază o sarcină saţială ngativă car cranază sonda, dtrminând saturara curntului d sondă (rgiuna EF). Obţinra acsti orţiuni d caractristică cal xrimntală st o roblmă dificilă car dind utrnic d gomtria sondi. Pntru dtrminara aramtrilor lasmi s folossc în gnral toat cl atru rgiuni al caractristicii d sondă. Datorită fatului că lucrara d faţă îşi roun doar familiarizara cu mtoda în cauză, rcum şi condiţiilor concrt d fctuar a xrimntului, în tratara noastră vom ala doar la rgiuna curntului lctronic (CDEF) a caractristicii d sondă. In gnral, dacă urtătorii d sarcină au o distribuţi maxwlliană a vitzlor, Langmuir a arătat că ntru oric ti d urtători şi oric ti d sondă, intnsitata curntului în circuitul d sondă, în cazul câmurilor lctric rtardant, st dat d cuaţia: V I = ja s (8.3) în car A s st aria sondi, - sarcina lctronului, V - otnţialul sondi raortat la otnţialul lasmi, k - constanta lui Boltzmann, T - tmratura comonnti ntru car s calculază curntul d sondă, iar j st dnsitata curntului d articul datorat mişcării dzordonat a acstora şi st dat d rlaţia: j= n (8.4) πm în car n şi m sunt dnsitata d articul, rsctiv masa uni articul din scia rsctivă. In cazul orţiunii CD a caractristcii din Fig.8.6, curntul d sondă s datorază în rincial lctronilor car s dlasază în câmul rtardant din saţiul lasmă-sondă şi, din combinara rlaţiilor (8.3) şi (8.4), rzultă: 159

12 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi I = An s πm V Logaritmând xrsia rcdntă s obţin: (8.5) V ln I = const. (8.6) Fig.8.7 Dci, având în vdr fatul că cuaţia (8.6) rrzintă o drată cu anta / şi că V = U, tmratura lctronilor oat fi calculată baza dndnţi lni = f(u), (Fig.8.7), cu ajutorul rlaţii: U 1 T = = (8.7) k ln I s ktgα D rmarcat fatul că, doarc în calcul intrvin logaritmul natural al valorii curntului d sondă, st indifrnt în c unităţi s măsoară acsta. Doar mărimil, k şi U trbui măsurat în aclaşi sistm d unităţi. Din roicţia axa U a unctului d intrscţi a rlungirilor orţiunilor rctilinii CD şi EF (Fig.8.6) s obţin otnţialul saţial, U o, al lasmi. Când U=U o, V=0 şi, din intrscţia roicţii susamintit cu caractristica d sondă s obţin curntul I o corsunzător lui V=0. Punând V=0 şi I =I s =I o în cuaţia (8.5), s obţin: I = A n o s πm (8.8) din car, cunoscând aria sondi şi tmratura lctronilor calculată din rlaţia (8.7), s oat dtrmina dnsitata lctronilor, n, în zona d lasmă invstigată. 8.3 Mtod d radiofrcvnţă şi micround 160

13 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii Duă cum am arătat în Caitolul III lasmi aflat într-un câm lctric altrnativ i s oat atribui o imdanţă lctrică comlxă car-i confră atât un comortamnt rzistiv (disiativ), cât şi unul ractiv. Comortamntul ractiv oat fi inductiv sau caacitiv, în funcţi d tiul d lasmă gnrată. Pornind d la acastă ralitat, oricări lasm în curnt altrnativ i s oat asocia o schmă lctrică chivalntă având în comonnţa sa rzistnţ, bobin şi condnsatori. Valoril rzistnţi, inductanţi şi caacităţii dind d unii dintr aramtrii lasmi: dnsităţil d ioni şi lctroni, frcvnţl d ciocnir al articullor din lasmă, dimnsiunil gomtric al zonlor lasmi tc. El ot fi dtrminat folosind mtodl consacrat d măsură în curnt altrnativ, dintr car cl mai utilizat sunt mtodl d unt. Acsta s folossc mai als ntru lasml gnrat la rsiuni mici. Fig.8.8 Atnuara şi absorbţia rzonantă în lasmă. GS gnrator d smnal; AE antnă d misi; AR antnă d rcţi; R - rctor Pntru lasml ntru car dnsităţil d lasmă sunt curins într şi 10 m -3 şi frcvnţl d lasmă s află în domniul Hz (domniul undlor milimtric şi microundlor) s folossc mtod d măsurar scific acstor tiuri d und. Una dintr acsta s bazază unra în vidnţă a ragului frcvnţi d roagar a oscilaţiilor d micround rin lasmă. Exrimntul st schiţat în Fig.8.8. Frcvnţa oscilaţiilor gnratorului d smnal st rglabilă şi a st balată ână când rctorul nu mai rimşt smnal. În acst momnt ω = ω şi ar loc absorbţia rzonantă a undlor lctromagntic. Ţinând cont că într frcvnţa d lasmă şi dnsitata d lasmă xistă rlaţia f = 9 n, din condiţia d rzonanţă s oat calcula dnsitata lasmi. Mtoda dă rzultat bun mai als în cazul lasmlor omogn. În cazul lasmlor car rzintă variaţii al dnsităţii, dacă fascicolul d micround întâlnşt în drumul său o zonă d lasmă cu o dnsitat car dăşşt valoara critică, transmisia dvin nulă chiar dacă dnsitata lasmi înaint şi duă acastă zonă st mai mică. Est clar că într-o astfl d situaţi rzultatul măsurătorilor st viciat. O altă mtodă car s bazază transmisia microundlor rin lasmă st intrfromtria d micround. Instalaţia xrimntală (Fig.8.9) st asmănătoar cu ca folosită în cazul dtcţii absorbţii rzonant, cu dosbira că s mai adaugă o a doua cal d transmisi sr rctor a unui smnal d 161

14 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi micround (d rfrinţă), cal car conţin un atnuator şi un dfazor, ambl calibrat. Pntru ca roagara rin lasmă să aibă loc st ncsar ca ω ω. Fig.8.9 Intrfrnţa d micround. A atnuator; D dfazor. Dacă grosima stratului d lasmă străbătut d radiaţia d micround st l, atunci difrnţa d fază dintr cl două smnal rcţionat st: π l l c π ω ϕ = = 1 l = ( nr 1) l T c ct (8.9) v v c und v st vitza microundlor rin lasmă iar n r st indicl d rfracţi al i. Indicl d rfracţi al lasmi st dat d rlaţia: ω 1 n r = (8.30) ω astfl încât difrnţa d fază dintr cl două smnal va ava xrsia: ω ω ϕ = 1 l c 1 (8.31) ω Folosind mtoda intrfromtrii d micround s fac două sturi d măsurători: în absnţa lasmi şi în rznţa i. În absnţa lasmi, amlitudina şi faza smnalului d rfrinţă s rglază astfl încât smnalul total la rctor să fi nul. Prznţa lasmi va dtrmina dfazara smnalului transmis rin a faţă d smnalul d rfrinţă. Dacă rglajl cala smnalului d rfrinţă rămân nschimbat faţă d cazul în car lasma ra absntă, atunci rctorul va înrgistra un smnal nnul. Prin rglara atnuării şi a fazi smnalului d rfrinţă s va găsi situaţia în car smnalul total înrgistrat d rctor st nul. Cunoscând dfazajul, din rlaţia (8.31) s oat dtrmina frcvnţa d lasmă iar din xrsia acstia s calculază concntraţia lasmi. Dacă lasma st nomognă, concntraţia lasmi astfl calculată va fi o concntraţi mdi. 16

15 S.D.Anghl Fizica lasmi şi alicaţii Proagara undlor lctromagntic rin lasmă s fac cu atnuar, conform rlaţii: ω ω ν cω k = 1+ i c ω (8.30) ω cω 1 ω k fiind numărul d undă. Doarc coficintul ărţii imaginar a numărului d undă, k im, rrzintă atnuara unitata d lungim, din măsurara atnuării introdus d lasmă s oat dtrmina frcvnţa d ciocnir. Intrfromtria d micround st dosbit d utilă şi la monitorizara variaţii dnsităţii lasmlor nstaţionar. În Fig.8.10 st xmlificată o variaţi în tim a dnsităţii lasmi şi forma la dtctor a două smnal cu frcvnţl d 90 GHz şi 70 GHz. Fig.8.10 Influnţa variaţii în tim a dnsităţii lasmi asura roagării microundlor. La încutul voluţii în tim a lasmi dnsitata i st mică şi frcvnţa d lasmă st sub frcvnţa smnalului. P măsură c a crşt, işira dtctorului înrgistrază trcri succsiv rin zro, d ficar dată când dlasara fazi crşt cu π/. Când concntraţia ating o valoar ntru car ω = ω smnalul transmis rin lasmă st nul (absorbţi rzonantă) şi smnalul 163

16 Caitolul VIII Mtod d diagnosticar a lasmi la işira dtctorului va fi gal cu smnalul d rfrinţă. Aclaşi smnal s înrgistrază şi în intrvalul d tim în car concntraţia st mai mar dcât ca corsunzătoar absorbţii rzonant, doarc unda st arţial rflctată şi arţial absorbită d cătr lasmă. În momntul în car concntraţia lasmi scad din nou sub valoara corsunzătoar absorbţii rzonant, dtctorul va înrgistra din nou un smnal mai dstins. 164