Способ определения заряда пылевых частиц по их движению вблизи электрического зонда в газоразрядной плазме

(51) 05 1/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ использованием частиц конденсированной дисперсной фазы микронных размеров. Изобретение относится к экспериментальным методам диагностики пылевой плазмы по реакции пылевых частиц на внешнее возмущение. Техническим результатом является упрощение способа определения заряда пылевых частиц в газоразрядной плазме. Способ определения заряда пылевых частиц по их движению вблизи электрического зонда в газоразрядной плазме заключается в возмущении пылевой частицы полем зоила, видеосъемке захвата одной из пылевых частиц электрическим зондом,оцифровке координат пылинки по результатам видеосъемки и решении обратной математической задачи, связанной с определением значения заряда пылинки 2(72) Рамазанов Тлеккабул Сабитович Досболаев Мерлан уляшлы Джумагулова Карлыгаш Нурмановна Коданова Сандугаш Кулмагамбетова Габдуллин Маратбек Тулебергенович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДА ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ПО ИХ ДВИЖЕНИЮ ВБЛИЗИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗОНДА В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ(57) Изобретение представляет собой новый способ диагностики параметров пылевых частиц в газоразрядной плазме и может быть использовано в различных технологических установках, связанных с образованием или с целенаправленным Изобретение представляет собой новый способ диагностики параметров пылевых частиц в газоразрядной плазме и может быть использовано в различных технологических установках, связанных с образованием или с целенаправленным использованием частиц конденсированной дисперсной фазы микронных размеров. Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ,содержащий частицы конденсированного вещества,которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне. Иногда эту плазму называют коллоидной или плазмой с конденсированной дисперсной фазой(КДФ). Наличие макроскопических частиц может существенно влиять на свойства низкотемпературной плазмы, а так же приводит к появлению в системе новых параметров, в частности, такого важного параметра как заряд пылинки, который зависит от ее размера и локальных параметров окружающей плазмы. Известен способ определения заряда пылевых частиц, основанный на балансе силы тяжести и силы электрического поля, действующей на заряженную пылинку в вертикальной газоразрядной трубке,позволяет оценить порядок величины заряда(Досболаев М.К. Экспериментальное определение заряда пылевых частиц в разряде постоянного тока// Вестник КазНУ. Серия физическая. Алматы, 2007,1 (23), с. 59-63). Для определения величины напряженности электрического поля в том месте страты, где находится пылинка, используют либо связь между интенсивностью свечения страты и напряженностью электрического поля,либо проводят сложные расчеты, связанные с решением системы многих уравнений. Недостатком этого способа является то, что в первом случае при нахождении напряженности поля вносится погрешность, связанная с несовпадением профилей распределения светимости страты и напряженности поля, они несколько сдвинуты относительно друг друга ( ,,,, . 28 ,15-20, 2007, , . . 2). А во втором случае погрешности расчетов связаны с многопараметричностью системы и описывающих ее уравнений. Известен способ определения заряда пылевых частиц, вращающихся вокруг электрического зонда на основе известной теории Л (), который заключается в решении прямой математической задачи (,. . 42, 2009, . 214026 (5). Уединенная пылевая частица вблизи зонда движется под действием только электростатической силы. Так как движение ее поперек оси трубки является несущественным, то задача сводится к двумерной в вертикальной плоскости. Для этого вводят полярные 2 координатыив плоскости траектории и принимают за начало координат центр зонда. Уравнения такого движения записывается в следующей форме Где Ко- начальная кинетическая энергия пылевой частицы, М - ее масса, р - прицельный параметр, - потенциал поля зонда в точке . Заряд пылевой частицыопределяют токами электронов и ионов на ее поверхности. Для нахождения зависимости заряда от расстояния до зонда совместно решалась система (1) и уравнения для расчета заряда на основе известной теории ОМ Л. Недостатком данного способа является, то что расчет заряда пылинки выполняется на основе чисто теоретических уравнений. Известен способ определения заряда пылевых частиц по ее реакции на внешнее воздействие,например, на воздействие луча лазера высокой мощности ( ,А.Р.,, ,--.. . . 2001, . 87, -.205002),включающим видеосъемку отклонения одной из пылевых частиц от своего равновесного состояния,оцифровку координат пылинки по результатам видеосъемки и решение математической задачи,связанной с определением значения заряда пылинки(параметра входящего в уравнение движения). Способ осуществляют следующим образом, лазером высокой мощности воздействуют на конкретную пылевую частицу, которая отклоняется из состояния равновесия и возвращается обратно. Недостатком такого способа является необходимость использования дополнительного дорогостоящего оборудования - лазера высокой мощности. Задачей предполагаемого изобретения является разработка нового эффективного и упрощенного способа определения заряда пылевых частиц в газоразрядной плазме. Технический результат достигается предлагаемым способом определения заряда пылевых частиц по их движению вблизи электрического зонда в газоразрядной плазме,включающим видеосъемку захвата диагностическим прибором одной из пылевых частиц, оцифровку координат пылинки по результатам видеосъемки и решение математической задачи, связанной с определением значения заряда пылинки (параметра входящего в уравнение движения), но в отличие от известного, в качестве диагностического прибора используется электрический зонд, а значение заряда пылинки определяют с помощью уравнения вблизи зонда. Преимущество такого способа заключается в том, что все параметры (координаты траектории движения пылевой частицы вблизи зонда, начальная энергия пылинки) берутся из эксперимента. Способ осуществляют с помощью экспериментальной установки (рисунок 1). В экспериментальную установку входят специальная газоразрядная трубка (1), в которой предусмотрены вставки для анода (2) и катода (3), высоковольтный источник питания (4), контейнер с частицами (5). системы наблюдения и визуализации (6), зонд (7),лазер для подсветки (6). Тлеющий разряд зажигается в трубке при давлениях рабочего газа, аргона, 0.08-0.2 Тор и разрядном токе 0.5-1.5 м. Зонд изготавливают из кусочка молибденовой проволоки диаметром 300 мкм, его выдвигают в плазму из боковой стеклянной трубочки, вставки. Наблюдение осуществляют с помощью ПЗС видеокамеры с частотой 25 кадров в секунду. Для эффективности используют аналоговые черно-белые видеокамеры. Так же для удобства работы на стенде имеется черно-белый монитор. Па рисунке 2 показаны фотоизображения траекторий движения пылевых частиц вблизи зонда в газоразрядной плазме. В исследованиях исходные параметры радиус зонда 150 мкм, потенциал пространства 6.3, прицельный параметр р в диапазоне 150500 мкм. Температура электронов Те, плотность плазмы 0 и потенциал зонда определяют методом зондовой диагностикой. Способ определения заряда пылевой частицы заключается в том, что по экспериментальной траектории пылинки, подставляя оцифрованные значения координат в уравнение (2), находят значения заряда пылинки, являющегося параметром в этой системе и зависящего от координаты , в каждой точке. Движение пылевой частицы рассматривают во всей возмущенной области, включающей область объемного заряда или двойного слоя, в котором происходит резкое изменение потенциала, и квазинейтральную часть, т.е. область плазмы. Распределение электрического ноля вблизи зонда определяют уравнением Пуассона, которое имеет вид (1) Для концентрации электронов применимо больцмановское распределение. В отличие от электронов,распределение ионов,из-за поглощающего действия зонда, существенно неравновесно, вследствие чего для концентрации ионов больцмановское распределение становится 3 неприменимым. Для вычисления распределения плотности ионов используют специальный подход. Изложим этот подход. Для цилиндрического зонда существенное значение имеет только проекция скорости ионов па плоскость,перпендикулярную к оси зонда . В случае лимитационого движения для упрощения вычислений пользуются приближением моноэнергетических ионов,суть которого заключается в том, что реальное распределение по скоростям ионов в плазме заменяется моноэнергетическим где 0 - начальные скорости ионов в невозмущенной плазме, (х) - дельта-функция, Е 0 величина с точностью до множителя порядка единицы, равная температуре ионов в плазме(точное вычисление дает Е 0/4, но в дальнейшем между Е 0 и, мы не будем делать различия). Такая замена реального распределения моноэнергетическим оправдывается тем, что ионы вблизи зонда попадают в ускоряющее поле, в котором приони приобретают скорости,намного превышающие первоначальные, и, в связи с этим, конкретный вид функции распределения не оказывает заметного влияния на величину ионного тока. Таким образом, скорости всех ионов в плазме одинаковы по модулю и хаотически распределенными по направлению. Тогда, л в нашем случае есть лимитационный радиус,определенный для энергии ионов, равной Е 0. Распределение концентрации ионов определяют следующими выражениями 1/ 21(л ) 0( )Здесь и далее потенциалберется по модулю. Численная схема и результаты решения Для уравнения (1) записывают следующие начальные условия для полярного радиуса,радиальной скорости и полярного угла пылевой частицы в момент времени 02(0)0(0)0 Сформулируем граничные и начальные условия для уравнения (3). Первое граничное условие определяем потенциалом поверхности зонда Далее, на лимитационном расстоянии имеем Теперь уравнение плазмы-слоя (3) решают методом пристрелки - ищем такое значение л,при котором решение уравнения для л удовлетворяет условию (7). Найденное л дает граничные условия (8) в явном виде, после этого решаем уравнение плазмы-слоя и для л. Полученная система уравнений (2)-(3) вместе с граничными условиями (7),(8) позволяет вычислить заряд пылевой частицы в возмущенной зоне вблизи зонда. На фиг. 3 и 5 представлены фотографии траекторий пылинок, движущихся в аргоновой плазме вблизи зонда при разных приведенных прицельных параметрах / и начальных энергиях 0 . Пылевые частицы имеют радиус 1.5 мкм и массу- 1.710-10 г, энергия электронов равна 5 эВ и температура ионов равна комнатной температуре. На фиг., 4 и 6 в качестве примеров приведены результаты расчетов заряда пылевой частицы как функции от расстояния до зонда для случаев,представленных на фотографиях 3 и 4,соответственно. Видно, что вдали от зонда пылинка имеет отрицательный заряд и в производной области меняет знак на положительный. Перезарядка происходит по причине того, что ближе к поверхности зонда ток ионов начинает преобладать над током электронов. За искомый невозмущенный заряд пылевых частиц в газоразрядной плазме принимают асимптотическое значение заряда вдали от зонда. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения заряда пылевых частиц по их движению вблизи электрического зонда в газоразрядной плазме, включающий видеосъемку захвата диагностическим прибором одной из пылевых частиц, оцифровку координат пылинки по результатам видеосъемки и решение математической задачи, связанной с определением значения заряда пылинки (параметра входящего в уравнение движения), отличающийся тем, что в качестве диагностического прибора используется электрический зонд, а значение заряда пылинки определяют с помощью уравнения 2 2