Способ измерения времени релаксации концентрации электронов в газоразрядной плазме

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ, включающий модуляцию тока разряда гармоническим сигналом, измерение глубины модуляции тока и последующее определение времени релаксации, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения его точности, дополнительно измеряют глубину модуляции падения напряжения на положительном столбе разряда, измеряют разность фаз между переменными составляющими падения напряжения и тока разряда, определяют значение частоты , при котором сдвиг фаз между переменными составляющими тока и напряжения равен / 2, и находят время релаксации t_е по формуле
t_e= ,
где m_u и m_i - глубина модуляции напряжения и тока на нулевой частоте.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в спектроскопии рабочего вещества газоразрядных лазеров и диагностике плазмы для измерения времени релаксации концентрации электронов.
Целью изобретения является упрощение способа измерения времени релаксации концентрации электронов и повышение его точности.
На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения времени релаксации концентрации электронов; на фиг. 2 - схема конструкции измерительного элемента.
Устройство (фиг. 1) содержит кювету 1 для исследуемого газа, источник 2 питания, модулятор 3 тока, генератор 4 гармонических колебаний, измеритель 5 разности фаз, измеритель 6 глубины модуляции тока и напряжения, катод 7, анод 8.
Источник 2 питания через модулятор 3 подключен к катоду 7 кюветы 1. К модулятору 3 подключен генератор 4. Анод 8 и зонд 9 соединены с измерителем разности фаз. Измеритель глубины модуляции 6 через ключ может поочередно подключаться к зонду 9 или аноду 8. Питание разряда в измерительном элементе (кювете 1 с исследуемым газом) осуществляется от источника 2 через балластный резистор R₅. Модулятор 3, управляемый синусоидальным напряжением от генератора 4, осуществляет модуляцию тока разряда. С помощью измерителя 5 разности фаз измеряется сдвиг фаз между радиочастотной переменной составляющей тока, пропорциональной переменной составляющей падения напряжения на резисторе R₄, и радиочастотной переменной составляющей напряжения на зонде 9, выделяемой высоковольтным конденсатором C₁. Высокоомный резистор R₁ используется для исключения попадания на вход фазометра постоянной составляющей напряжения, наводимой на обкладке конденсатора C₁. С помощью универсального измерителя 6 измеряются глубина низкочастотной модуляции падения напряжения на участке "анод - зонд", в котором расположен исследуемый отрезок положительного столба разряда, и глубина модуляции тока разряда (с помощью резистора R₄). Делитель R₂-R₃ используется для уменьшения шунтирующего влияния входного сопротивления измерителя 6 на исследуемый участок плазмы.
На фиг. 2 изображена разрядная трубка 10, капилляр 11, баллон 12 катода.
Кювета 1 содержит холодный катод 7, баллон которого 12 соединен с разрядной трубкой 10 большого диаметра, переходящей в капилляр 11 заданного (малого) диаметра, в котором расположен исследуемый участок плазмы положительного столба. По концам капилляра непосредственно у входов в него расположены игольчатые электроды, один из которых выполняет роль анода 8, другой - измерительного зонда 9. Отрезок трубки 10 большого диаметра необходим для увеличения расстояния между катодом и измерительным зондом, что способствует уменьшению электрической емкости между катодом и зондом и, следовательно, уменьшает влияние токов смещения при измерении фазовых сдвигов.
Способ осуществляется следующим образом.
При модуляции тока разряда его электрическое сопротивление по переменному току представляет собой комплексную величину, состоящую из активной и реактивной составляющих. Экспериментально установлено, что при определенной частоте модуляции активная составляющая динамического сопротивления разряда становится равной нулю и сдвиг фаз между переменными составляющими тока и напряжения на разряде равен /2. Величина сдвига фаз между переменными составляющими тока и падения напряжения на участке положительного столба, локализованного в трубке постоянного диаметра, определяется лишь тремя параметрами: t_e = 1/Г_е - временем релаксации концентрации электронов на оси трубки, где Г_е - частота релаксации; /R - отношением дифференциального и статического сопротивлений R по постоянному току этого участка положительного столба и частотой модуляции тока . Таким образом, располагая электроды-зонды по концам трубки постоянного радиуса, для которого необходимо знать величину t_e, модулируя ток разряда и измеряя сдвиг фаз между переменными составляющими токами и падения напряжения на исследуемом участке положительного столба, можно, изменяя частоту модуляции, найти ее значение , соответствующее сдвигу фаз /2.
При модуляции тока на низкой частоте параметр /R связан с глубиной модуляции тока разряда m_i и глубиной модуляции падения напряжения на положительном столбе разряда m_u. Измеряя глубину модуляции тока и падения напряжения по формуле
t_e = t_e= , можно определить время релаксации концентрации электронов в газоразрядной плазме.
Время релаксации концентрации электронов измерялось в рабочем капилляре стандартного активного элемента от серийного лазера типа ЛГ-44. Для этого в непосредственной близости от концов капилляра были вварены два молибденовых электрода. Наиболее удаленный из них от катода выполнял роль анода. Питание разряда осуществлялось от источника стабилизированного напряжения типа Б1-1. Балластный резистор включался в цепь катода, анод соединялся через резистор (100 Ом) с соединенным с "землей" плюсовым выводом блока питания. Модуляция тока осуществлялась от генератора Г3-7А, подключенного через высоковольтный конденсатор к катоду. При частоте модуляции 67 Гц с помощью универсального цифрового вольтметра типа В7-26 были измерены глубина модуляции напряжения m_u на ближайшем к катоду зонде, подключаемого к прибору В7-26 через делитель с входным сопротивлением 100 мОм, и глубина модуляции тока разряда m₁ с помощью сопротивления 100 Ом. Отношение глубин модуляции оказалось равным = 0,113. (Измерения проводились при токе разряда, равном 19 мА). С помощью измерителя разности фаз типа Ф2-1 (или двухлучевого осциллографа) и частотомера 43-34 было найдено значение , которое оказалось равным 2 - 270 кГц. Отсюда по формуле Г_е = t_e^-1 = Г_e= t^-_e¹= получаем Г_е = 2 - 803 кГц. (56) Тучин В. В. , Четвериков В. И. Расчет спектра частотных и амплитудных флуктуаций газового лазера при флуктуациях тока разряда. Радиотехника и электроника, 1977, т. 22, N 8, с. 1635-1644.
Авторское свидетельство СССР N 667063, кл. H 01 S 3/00, 15.02.79.
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в спектроскопии рабочего вещества газоразрядных лазеров и в диагностике плазмы для измерения времени релаксации концентрации электронов. Цель изобретения - повышение точности и упрощение модуляционного способа измерения времени релаксации концентрации электронов на оси положительного столба газоразрядной плазмы в кюветах с узким капилляром и устройства для его осуществления. Для измерения времени релаксации концентрации электронов в газоразрядной плазме модулируют ток разряда гармоническим сигналом. Измеряют глубину модуляции тока и падения напряжения на положительном столбе разряда. Регистрируют разность фаз между переменными составляющими падения напряжения на положительном столбе газового разряда и тока, протекающего через него. Определяют значение частоты, при котором сдвиг фаз между переменными составляющими тока и напряжения будет равен /2, и по формуле определяют время релаксации. 2 ил.