Cíle

 Praktikum z fyziky plazmatu vhodně doplňuje teoretické přednášky Úvod do Fyziky plazmatu, Fyzika plazmatu I a Fyzika plazmatu II. Studenti se formou praktických úloh seznámí s různými typy výbojů a se základními postupy a metodami diagnostiky plazmatu. Hlavní cíle kurzu jsou: pochopení principů měřících metod; praktické zvládnutí základních metod zkoumání plazmatu; aplikace a následné provázání vědomostí z různých předmětů (Úvod do fyziky plazmatu, Fyzika plazmatu, Elementární procesy v plazmatu, Vysokofrekvenční elektronika, Vakuová fyzika)

 Úlohy

• určení prvního Townsendova koeficientu
• ověření Paschenova zákona
• určení srážkové frekvence pomocí cyklotronové rezonance
• studium rozpadajícího se plazmatu
• určení koncentrace elektronů elektrostatickou sondou
• určení rozdělovací funkce rychlosti elektronů
• určení koncentrace elektronů rezonátorovou metodou

Literatura

Y.P. Raiser: Gas Discharge Physics

F. Chen: Principles of Plasma Processing

M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg: Principles of Plasma Discharges and Materials Processing

V. Martišovitš: Základy fyziky plazmatu

J. Tesař: Měření permitivity plynů rezonátorovou metodou, Diplomová práce, MU Brno 2010

A. Tálský, J. Janča: Speciální praktikum z vysokofrekvenční elektroniky a fyziky plazmatu

 Jak pracovat s osnovou

Tato osnova má sloužit především k rychlému zorientování se v úlohách, neobsahuje tedy všechny informace nutné k vypracování úkolů. Podrobné návody (hlubší náhled do teorie a podrobný postup měření) k úlohám najdete v přiložených PDF souborech.

V podosnovach k jednotlivým úlohám najdete:

• Stručné teoretické základy, na kterých daná úloha staví
• Schematické zobrazení aparatury, se kterou budete při úloze pracovat
• Přehled úkolů, které budete řešit po měření a zpracovávat do protokolů
• Kompletní pdf návod ke stažení

Townsendův koeficient

V této úloze budeme vycházet z Townsendovy teorie lavin, která vysvětluje základní ionizační mechanismus pro udržení samostatného elektrického výboje. V této teorii je klíčový parametr α, který se nazývá první ionzační Townsendův koeficient. Udává počet ionizujících srážek, které jeden elektron uskuteční na jednotkové délce a je funkcí podílu elektrické intenzity pole a tlaku E/p.

John Sealy Townsend (1868-1957)

Anglický fyzik, který se zabýval elektrickou vodivostí plynů a kinetikou nabitých částic v plynech. Navrhl teorii elektronových lavin jako základní mechanismus elektrických výbojů v plynech.

[http://en.wikipedia.org/wiki/John_Sealy_Townsend]

Experimentální uspořádání

Úkoly

Pro 5 hodnot intenzity elektrického pole ve výbojovém prostoru z intervalu E = [30 V/cm; 200 V/cm] a pro daný tlak plynu:

• Proveďte měření závislosti i = f (x).
• Vyneste do grafu závislosti i = f (x), ln i = g(x) a ln α/p = f (p/E).
• Stanovte α, i₀, A a B.

Kompletní návod ke stažení

Tato úloha pozestává ze tří částí, měření však budete provádět na stejné aparatuře a všechny části taky zpracujete do jednoho protokolu.

Paschenův zákon

Paschenův zákon vyjadřuje vztah mezi napětím potřebným k zapálení výboje a součinem vzdálenosti elektrod a tlaku U = f (pd). Vynesením této závislosti do grafu získaváme tzv. Paschenovu křivku, na které lze pozorovat minimum, což má důležité praktické důsledky.

Louis Karl Heinrich Friedrich Paschen (1865-1947)

Německý fyzik, známý především svou prací týkající se elektrických výbojů. Jeho jmémo můžete znát také v souvislosti se sérii spektrálních čar vodíku v infračervené oblasti, pojmenované po něm Paschenova série.

[http://en.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Paschen]

Voltampérová charakteristika doutnavého výboje

Voltampérovu charakteristiku výboje získáme měřením napětí na výbojce v závislosti na proudu tekoucím výbojem, U = f (I ). Se změnou proudu výbojem se značně mění vlastnosti elektrického výboje a ten přechází v různé typy výboje, z temného výboje až po oblouk. V praktiku máme k dispozici aparaturu pro studování doutnavého výboje a proto se zde měří jemu odpovídající část voltampérové charakteristiky.

Katodový spád potenciálu v doutnavém výboji

Doutnavý výboj je samostatný elektrický výboj hořící za sníženého tlaku ve výbojové trubici. Je v něm možné pozorovat řadu oblastí lišících se jejich svítivostí, což lze vysvětlit různou energií elektronů. V praktických aplikacích doutnavého výboje se využíva světlo kladného sloupce, který může byt dlouhý i několik metrů. V této úloze se však zaměříme na oblast mezi záporným světlem a katodou, kde pozorujeme jev katodového spádu potenciálu.

Experimentální uspořádání

Při měření všech části tohto praktika budeme pracovat s tou samou výbojkou, budou se měnit jenom některé části elektrického obvodu, v kterém je zapojena.

Úkoly

• Naměřte a graficky znázorněte Paschenovu křivku pro různé vzdálenosti elektrod d při konstantním tlaku p a křivku nafitujte.
• Naměřte a graficky znázorněte Paschenovu křivku pro různé tlaky p při konstantní vzdálenosti elektrod d a křivku nafitujte.

• Stanovte voltampérovou charakteristiku samostatného výboje pro tři různé vzdálenosti elektrod.

• Naměřte normální katodový spád potenciálu v doutnavém výboji pro tři různé proudy výbojem.

Kompletní návod ke stažení

Určení srážkové frekvence elektronů metodou elektronové cyklotronové rezonance

Elektronová cyklotronová rezonance je jev, který nastává při vložení volného elektronu do statického homogenního magnetického pole. Za těchto podmínek se bude elektron pohybovat po kružnicích v důsledku Lorentzovy síly. Frekvence oběhu se nazývá cyklotronová frekvence a dá se vyjádřit následovně: ω_c=eB/m.

Při samotném měření srážkové frekvence elektronů (ve velkém množství obsažených v plazmatu) ν budeme vycházet z tenzoru vysokofrekvenční vodivosti plazmatu σ. Ten závisí (kromě jiného) také na srážkové frekvenci. Pak budeme měřit absorbovaný vysokofrekvenční výkon, přičemž víme, že rezonance nastane právě ve chvíli absorpčního maxima.

• σ(ν) –> j(σ(ν)) –> P(j(σ(ν)))

 Experimentální uspořádání

 Úkoly

• Ze zápisu rezonančních křivkek pro nejméně pět hodnot tlaku v rozmezí 100 - 2000 Pa určíme závislost srážkové frekvence na tlaku.
• Ze zápisu rezonančních křivkek pro nejméně pět hodnot proud určíme závislost srážkové frekvence na proudu.

Kompletní návod ke stažení

Studium rozpadu plazmatu mikrovlnnou metodou

Rozpad plazmatu

Jak je známo, pro udržení plazmatu je nutné dodávat do výboje energii. Přerušíme-li přívod energie, plazma se začne rozpadat. To se projeví postupným klesáním koncentrace nabitých částic. Tento pokles je způsoben dvěma principiálními procesy:

• Difúze a následná rekombinace na stěnách
• Objemová rekombinace

Rezonátorová metoda stanovení koncentrace elektronů

Tato metoda, kterou budeme rozpad plazmatu zkoumat, byla poprvé popsána Slaterem r. 1946 a spočívá v měření komplexní vysokofrekvenční vodivosti plazmatu. Zaplnění rezonátoru plazmatem způsobí změnu rezonanční frekvence ω a zároveň změnu kvality rezonátoru Q. K určení koncentrace elektronů n použijeme změnu rezonanční frekvence Δω.

Experimentální uspořádání

Úkoly

Pro tři různé hodnoty tlaků (200 Pa, 1000 Pa a 5000 Pa) provedeme měření:

• z rozdílu Δf=f´-f₀ vypočteme koncentraci elektronů ne(t)
• do grafu vyneseme závislosti 1/n = f(t) a ln n = f(t)
• určíme veličiny α a D
• rozhodneme, který z procesů (rekombinace/difúze) převládá
• určení veličin α a D a provedeme také na základě fitování naměřených dat zpřesněnou rovnicí závíslosti n(t) a výsledky porovnáme

Kompletní návod ke stažení

Jednoduchá sonda

V této úloze budeme studovat plazma pomocí jednoduché Langmuirovy sondy. Sondovým měřením, které bylo vyvinuté v roce 1923 Irvingem Langmuirem, dokážeme jednoduchým způsobem zjistit základní parametry plazmatu - elektronovou koncentraci, teplotu a rozdělovací funkci elektronů.

Irving Langmuir

Americký chemik a fyzik, držitel Nobelovy ceny za chemii z roku 1932, se mimo jiné zabýval studiem plazmatu. Jako první použil pojem plazma pro označení inizovaného plynu.

[http://en.wikipedia.org/wiki/Irving_Langmuir]

Experimentální uspořádání

Úkoly

• Proveďte měření sondového proudu v závislosti na přiloženém napětí.
• Naměřenou voltampérovou charakteristiku jednoduché sondy vhodným způsobem zpracujte a zjistěte základní parametry plazmatu.

Kompletní návod ke stažení

Dvojná sonda

Dvojnou symetrickou sondou nazýváme dvě stejné sondy umístěné v ekvipotenciální ploše v plazmatu. Žádná z těchto sond není spojena s elektrodou, sondy se tedy bez vnějšího pole ustavují na plovoucím potenciálu. Při měření postupujeme tak, že měříme cirkulační proud okruhem sond při vloženém malém napětí mezi sondy.

Experimentální uspořádání

Úkoly

• Naměřte průběh cirkulačního proudu v závislosti na vloženém malém napětí mezi sondy.
• Naměřenou voltampérovou charakteristiku dvojné sondy vhodným způsobem zpracujte a zjistěte základní parametry plazmatu.

Kompletní návod ke stažení

Poslední dvě úlohy zařazené do tohoto praktika se budou měřit ve spolupráci s Fakultou chemickou VUT v Brně.

Diafragmový výboj

V této úloze se nejprve budete zabývat měřením elektrické charakteristiky zapálení diafragmového výboje. Diafragmový výboj představuje elektrický výboj v kapalině, který vzniká v malém otvoru dielektrické přepážky oddělující dvě ploché elektrody. Generované plazma pak iniciuje řadu chemických reakcí, což vede ke tvorbě různých reaktivních chemických částic. Ve druhé části této úlohy budeme sledovat generaci jedné z takových částic, konkrétně peroxidu vodíku.

Studium generace ozónu

Jelikož je ozón v současnosti využíván v různých odvětvích průmyslu, jeho přípravě a měření jeho koncentrace je také věnována velká pozornost. Metody stanovení množství ozónu se dají rozdělit na

• chemické - z nich v této úloze budeme využívat jodometrické titrace, která stanoví absolutní koncentraci, avšak znehodnocuje měřený roztok
• fotochemické - pomocí absorpce UV záření můžeme měřit množství ozónu kontinuálně

Kompletní návody ke stažení

Návody k těmto úlohám pro Vás napsali kolegové z VUT.

Tato interaktivní osnova vznikla v rámci OpVk programu Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení.