TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG Các phương pháp chẩn đoán plasma GVHD: PGS. TS. Lê Văn Hiếu HVTH: Nguyễn Đăng Khoa Lê Thị Lụa Lý Ngọc Thủy Tiên Trần Thị Mỹ Hạnh Nguyễn Thanh Tú

Lưu lại thông tin cần thiết: Địa chỉ bạn đã tải: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html Nơi bạn có thể thảo luận: http://myyagy.com/mientay/ Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí: http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html Dự án dịch học liệu mở: http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html Liên hệ với người quản lí trang web: Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA 1845:từ “Plasma” đươc phát biểu với ý nghĩa sinh vật học 1923: Langmuir và Tonks gọi chất khí ở trạng thái dẫn điện là plasma

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA 1667,nhà bác học Floreltre phát hiện ra ngọn lửa đèn có tính dẫn điện. 1698,tiến sĩ Volt người Anh phát hiện hiện tượng phóng tia lửa điện trong không khí khi nghiên cứu sự nhiễm điện của hổ phách Đầu thế kỉ XIX,giáo sư Pétro đã phát minh ra hồ quang

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA Irving Langmuir (1881 -1957) là nhà khoa học Mỹ đầu tiên nghiên cứu về trạng thái plasma, người được coi là cha đẻ của vật lý plasma. Năm 1920, Langmuir mô tả thí nghiệm tạo ra khối cầu phát sáng có đặc tính dường như giống sét hòn. Năm 1924, ông đưa ra khái niệm nhiệt độ điện tử và phát minh ra phương pháp chẩn đoán mật độ và nhiệt độ plasma bằng đầu dò điện.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng minh rằng một loại chuyển động tập thể mới, gọi là “sóng từ-thủy động lực học” có thể được sinh ra trong các hệ plasma. Các sóng này đóng một vai trò quan trọng xác định tính chất của plasma.

KHÁI NIỆM PLASMA Theo định nghĩa của Langmuir, plasma là “một tập hợp” các hạt mang điện và các hạt trung hòa phải thỏa mãn: Điều kiện gần trung hòa: Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích thước của miền chứa tập hợp đó:

Một số dạng Plasma

TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN PLASMA Chẩn đoán plasma là nghiên cứu các hiện tượng vật lý tiến triển bên trong plasma, từ đó suy ra các tính chất của plasma. Phương pháp chẩn đoán plasma là các phương pháp đo nhiệt độ, mật độ, thành phần plasma. Khó khăn trong việc thiết lập mô hình lý thuyết Phải tiến hành chẩn đoán bằng nhiều phương pháp khác nhau trên cùng một đối tượng

Ví dụ chẩn đoán plasma trong tokamak

Các phương pháp chẩn đoán Chẩn đoán Thông số plasma Đầu dò langmuir Nhiệt độ plasma, nồng độ, thế plasma .. Phân tích quang phổ phát xạ nhiệt độ, nồng độ, thành phần plasma Chẩn đoán chùm nơtron nhiệt độ ion Giao thoa kế viba nồng độ electron Quay phim tốc độ cao hình ảnh plasma Tán xạ thomson Nồng độ và nhiệt độ electron Tán xạ chùm laser …. ..

Các phương pháp chẩn đoán Sóng vô tuyến Đầu dò Langmuir Tán xạ Thomson Plasma Phân tích quang phổ phát xạ Đầu dò từ Phân tích năng lượng ion Quay phim tốc độ cao Giao thoa kế Microwaves

Đầu dò tĩnh điện Langmuir plasma Voltage Generator V I wire insulator

Cấu tạo đầu dò Langmuir Lớp điện môi Là một sợi dây kim loại mảnh hình trụ, bên ngoài được bao bọc bởi chất cách điện dọc theo chiều dài, chỉ để hở mũi nhọn của sợi dây gọi là đầu dò. Kích thước đầu dò vào cỡ vài mm đến vài cm. Sợi dây kim loại mảnh làm bằng Tungsten hay Modylen, Thép không gỉ

Sơ đồ mắc mạch Điều chỉnh biến trở → Uanode-đầu dò thay đổi → Iđầu dò thay đổi Ampe kế và Vôn kế xác định sự phụ thuộc của Iđầu dò vào Uanode-đầu dò → Các đặc trưng của plasma (ne, Te)

Sự hình thành thế nổi và thế plasma Khi đưa đầu dò vào trong plasma, xung quanh đầu dò hình thành màn chắn tĩnh điện, xung quanh đầu dò hình thành một điện trường Điện trường này ngăn các electron đi đến gần đầu dò Sau một thời gian sẽ xảy ra sự cân bằng, thế khi cân bằng gọi là thế nổi: Vf Lúc này trong plasma cũng cân bằng và có thế gọi là thế plasma: Vp

Tiến hành thay đổi thế đầu dò Khi thế đầu dò V> Vp: các ion dương đến đầu dò sẽ bị đẩy trở lại môi trường plasma đồng thời các electron bị hút vào đầu dò, Khi thế đầu dò V< Vp: thì ngược lại, các ion dương bị hút vào đầu dò trong khi đó các electron bị đẩy ra xa đầu dò. Khi thế đầu dò V = Vf khi dòng tổng cộng qua đầu dò bằng không t Vậy dòng qua đầu dò có thể là dòng âm hoặc dòng dương là tùy thuộc vào hiệu thế plasma Vp với đầu dò V,

Mật độ dòng electron đến đầu dò Mật độ dòng ion đến đầu dò cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được:

Cường độ dòng điện qua đầu dò Trong đó: A là tiết diện của đầu dò Mi: khối lượng ion trong plasma me: khối lượng electron no: nồng độ electron hay ion

Đường đặc trưng Volt - Ampere Miền A: Khi thế đầu dò lớn hơn thế plasma V> Vp: các ion dương đến đầu dò sẽ bị đẩy trở lại môi trường plasma đồng thời các electron bị hút vào đầu dò, đầu dò có thể thay thế cho anode hút các dòng điện tích.

Đường đặc trưng Volt - Ampere Miền B: Khi thế đầu dò V = Vp, lúc này không tồn tại màn chắn điện bao quanh đầu dò. Bề mặt đầu dò thu nhận dòng ion và electron va chạm vào nó, nhưng dòng electron lớn hơn rất nhiều dòng ion nên nó xấp xỉ bằng:

 Miền C: V < Vp, đầu dò bắt đầu đẩy các e và hút các ion dương về phía đầu dò. Chỉ có các e nào có đủ động năng mới tới được đầu dò. Thế plasma Vp Thế nổi Vf Điện thế Khi V=Vf Nhiệt độ e:

 Miền D: V < Vf , các ion dương có chuyển động ngẫu nhiên xuyên qua vùng màn chắn tĩnh điện sẽ bị đầu dò thu nhận, cùng với nó lớp màn chắn bị mỏng đi do thế của đầu dò. Nếu V << Vp thì ta phải xét đến sự phát xạ điện tử thứ cấp và các electron thứ cấp này va chạm mạnh với dòng ion tới đầu dò). Dòng ion:

Xác định các đặc trưng của plasma Nhiệt độ e Nồng độ e hay ion dương Cường độ dòng electron bão hòa khi V=VP: Với Te đã xác định ở trên, ta có thể tính được n0

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ (Emissive probe) 1. CẤU TRÚC

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ 2. Hoạt động. Dựa trên nguyên lí cơ bản là: Nếu thế đầu dò là dương so với thế plasma, các electron phát ra với năng lượng thấp bị hút trở lại đầu dò. Trong trường hợp này dòng đầu dò là không thay đổi bởi sự phát xạ ra các electron. Nếu thế đầu dò là âm so với thế plasma, các electron phát xạ có thể đi vào plasma.

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ Nếu đầu dò được nung nóng cho đến khi phát xạ ra electron, dòng đầu dò tổng cộng, là một hàm của điện thế đầu dò, được cho bởi công thức: Dòng phát xạ: Với Aem là diện tích phát xạ , A* là hằng số Richardson, Tω là nhiệt độ của đầu dò là công thoát điện tử bề mặt đầu dò.

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ Phương pháp đo: Để đo thế plasma với đầu dò phát xạ người ta dùng 2 phương pháp chính: Phương pháp thế uốn Phương pháp thế nổi

Phương pháp thế uốn: ĐẦU DÒ PHÁT XẠ Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên việc xác định trực tiếp thế plasma từ đường đặc trưng đầu dò phát xạ. Thế mà tại đó xuất hiện điểm uốn trên đường đặc trưng của đầu dò phát xạ tương ứng với thế plasma.

Phương pháp thế nổi ĐẦU DÒ PHÁT XẠ Phương pháp này bao gồm việc đo các thế nổi của đầu dò ở các dòng nhiệt khác nhau. Khi dòng nhiệt tăng lên, thế nổi của đầu dò sẽ dịch chuyển (tăng) cho đến khi nó đạt giá trị bão hòa ứng với thế plasma.

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ Sơ đồ mạch điện đầu dò trong plasma

ĐẦU DÒ FARADAY (Faraday probe) Đầu dò Faraday là một dụng cụ để đo mật độ dòng điện Các loại đầu dò:

ĐẦU DÒ FARADAY Đầu dò có hai bộ phận chính: * Vành góp * Vòng bảo vệ

ĐẦU DÒ FARADAY Vành góp Làm bằng thép không rỉ Được phun một lớp tungsten để làm giảm sự phát xạ electron thứ cấp từ sự bắn phá ion

Vòng bảo vệ ĐẦU DÒ FARADAY Dùng để che chắn vành góp khỏi các ion năng lượng thấp đến từ đường phía bên ngoài vành góp.

Hoạt động: ĐẦU DÒ FARADAY Khi các ion đập vào bề mặt của vành góp, các electron chứa trong phần kim loại của đầu dò Faraday tuôn ra bề mặt đầu dò để trung hòa các ion tập trung trên bề mặt Các electron di chuyển tạo ra dòng điện đầu dò, dòng này bằng với dòng ion. Mật độ dòng được xác định bởi tỉ số của dòng ion và diện tích của vành góp. J= I/A

ĐẦU DÒ FARADAY Trong thực nghiệm: Người ta sử dụng vôn kế để đo điện thế đầu dò V, sau đó mật độ dòng sẽ được tính như sau: Với : R là điện trở trong mạch A là tiết diện đầu dò

ĐẦU DÒ FARADAY

ĐẦU DÒ FARADAY Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của mật độ dòng vào vị trí góc

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÁT XẠ

I. Nguyên tắc kích thích phổ phát trong plasma Plasma, khi bị nung nóng đến nhiệt độ khá cao thì trở thành nguồn bức xạ rất mạnh. Các dạng va chạm khác nhau giữa các hạt trong plasma là nguyên nhân gây ra sự phát xạ tia năng lượng, và chính đồng thời sinh ra phổ phát xạ.

II. Các quá trình sinh ra các phát xạ năng lượng: 1. Bức xạ gián đoạn 2. Sự bức xạ tái hợp 3. Sự bức xạ hãm

1. Bức xạ gián đoạn: Các nguyên tử và các ion của plasma bị kích thích sẽ bức xạ photon Quang phổ bức xạ của chúng là những quang phổ vạch. Phổ vạch là phổ phát xạ của các nguyên tố hóa học hầu như thường nằm trong vùng phổ từ 190-1000nm (vùng UVVIS). Chỉ có một vài nguyên tố á kim hay kim loại kiềm mới có một số vạch phổ nằm ngoài vùng này.

Hình ảnh của phổ mặt trời 2. Sự bức xạ tái hợp: Sự bức xạ tái hợp sinh ra khi ion thu nhận điện tử. Sự tái hợp giữa ion âm và điện tử và với ion dương sẽ làm giảm ion âm Trong quá trình tái hợp, các photon được bức xạ tạo ra quang phổ liên tục. Hình ảnh của phổ mặt trời

2. Sự bức xạ tái hợp: Sự tái hợp là quá trình nghịch của quá trình ion hoá.

3. Sự bức xạ hãm: Do sự va chạm giữa các điện tử với các ion nặng, điện tử bị mất một phần năng lượng của mình, phần năng lượng này phát xạ ra dưới dạng lượng tử ánh sáng. Bức xạ sinh ra khi có sự va chạm của điện tử với nguyên tử hoặc ion dương nặng, gọi là bức xạ hãm. Bức xạ hãm sẽ sinh ra quang phổ liên tục

III. Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật độ hạt trong plasma: Trong plasma, nguyên tử (Ao) của một nguyên tố được kích thích từ trạng thái năng lượng thấp Eo, lên trạng thái năng lượng cao Am được biểu diễn theo phương trình: Ao + XE = A* (a) Sau một thời gian,nguyên tử đã bị kích thích A* trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn sẽ phát xạ ra lượng tử năng lượng: A* = hv + Ao (b)

III. Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật độ hạt trong plasma: Nếu gọi Nm là số nguyên tử của nguyên tử Ao đã bị kích thích đến trạng thái năng lượng cao Am, thì theo quy luật Bolzamann ta có: Nm= Na (gm/ g0) . exp ( -ΔEmo/k T)

Nếu gọi Ia là cường độ của vạch phổ do quá trình kích thích phổ đã nói ở trên sinh ra,ứng với một nhiệt độ plasma nhất định ,Ia phụ thuộc vào: - Số nguyên tử Ao đã bị kích thích lên trạng thái A*, (Nm). - Thời gian tồn tại của nguyên tử A* ở trạng thái kích thích, (tm). - Năng lượng kích thích nguyên tử A từ trạng thái cơ bản đến trạng thái kích thích, (Em = hν). - Xác suất chuyển mức của nguyên tử A từ trạng thái kích thích năng lượng Am về trạng thái ban đầu năng lượng Eo, (Amo). Ia = f. (1/tm). Amo .Em. Nm ↔ I a = f. (l/t m) . A m0 .Na (gm/ g0). hν. exp ( -ΔEmo/k T)

I a =k N a Ia chỉ phụ thuộc vào Na Đối với một loại nguyên tử và trong một nhiệt độ plasma nhất định thì các yếu tố Amo, go, gm, Cm, hv là những hằng số. Ia chỉ phụ thuộc vào Na I a =k N a Với: k = f. (l/t m) . A m0 (gm/ g0) hν. exp ( -ΔEmo/k T) Như vậy đối với quang phổ nguyên tử, ứng với nhiệt độ nhất định của plasma, ta tìm được cường độ của phổ, ta có thể tìm được mật độ các nguyên tử trong plasma (Na).

Khảo sát nhiệt độ vật đen: - Vật đen là những vật hấp thụ hoàn toàn bức xạ chiếu xạ chiếu tới, đối với mọi độ dài sóng và đối với mọi góc tới. - Thực tế không có vật đen tuyệt đối. Người ta tạo ra vật đen bằng cách dùng một bình C có đục một lỗ thủng nhỏ, bên trong bôi đen bằng mồ hóng, (có thể coi là vật đen),bức xạ khi đi qua lỗ hổng bên trong bình, phản xạ nhiều lần liên tiếp bên trong bình, do đó hầu hết năng lượng bức xạ đều bị hấp thụ. Diện tích lỗ hổng vừa là bề mặt hấp thụ, vừa là bề mặt bức xạ.

Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen: Bức xạ phát ra bởi một vật gồm nhiều đơn sắc, năng lượng phát ra ứng với mỗi đơn sắc không bằng nhau và được đặc trưng bởi hệ số chói năng lượng đơn sắc Eλ. Đường cong biễu diễn sự biến thiên của Eλ theo bước sóng λ được gọi là đường đặc trưng phổ phát xạ của vật.

Ta xác định được đặc trưng phổ phát xạ của vật đen bằng thí nghiệm: Đường cong biễu diễn sự biến thiên của độ chỉ trên điện kế G theo độ dài sóng của bức xạ ra bởi vật đen A chính là đường cong biễu diễn sự biến thiên của Eλ theo λ hay chính là đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen.

Bằng cách thay đổi nhiệt độ cuả vật đen, ta vẽ được nhiều đặc trưng ứng với nhiều nhiệt độ khác nhau Nhận xét: +Nhận xét đường đặc trưng trên, ta thấy Eλ cực đại ứng với một độ dài sóng λm + Năng suất phát xạ toàn phần R tăng rất nhanh theo nhiệt độ T của vật đen + Nhiệt độ của vật đen càng cao thì trị số của λm càng tiến về phía độ dài sóng ngắn.

Nhiệt độ bức xạ của vật thực: R là năng suất phát xạ toàn phần Với các vật đen, năng suất phát xạ toàn phần Rvđ tuân theo định luật Bolzamann: Rvđ = T4 Với các vật thực (không đen) thì năng suất phát xạ toàn phần R < R vđ Vậy: R < T4

Nhiệt độ bức xạ của vật thực: - Đặt R= b*T 4 , với b là độ đen của vật, phụ thuộc vào tính chất và nhiệt độ của vật ( b <1) - Nếu ta xét nhiệt độ T ̓ của một vật đen có năng suất phát xạ toàn phần bằng năng suất phát xạ của một vật thực ở nhiệt độ T thì T ̓ là nhiệt độ bức xạ của vật thực. Ta có: T ̓ 4 =b *T4 Vậy nhiệt độ thực của vật thực là: Nếu xác định được nhiệt độ bức xạ T ̓ của vật thực, ta suy ra nhiệt độ thực T của nó

Ứng dụng: Hoả kế quang học: Hoả kế dùng để đo các nhiệt độ cao: nhiệt độ của một vật nung đỏ, nhiệt độ của lò luyện kim….

Chùm bức xạ phát ra từ nguồn A ( đóng vai trò là vật đen như cửa sổ của một lò luyện kim), hội tụ vào một đĩa nhỏ K bằng bạc bôi đen. Độ chói của ảnh A ̓ trên đĩa K bằng độ chói của nguồn A. Nhiệt độ của đĩa K được đo bằng một cặp nhiệt điện và một điện kế G có độ nhạy lớn. Nhiệt độ này tỉ lệ với độ chói của ảnh A ̓, do đó tỉ lệ với độ chói của vật đen A. Bằng một băng đo mẫu nhiệt độ có sẵn, ta suy ra nhiệt độ của A bằng cách đọc số chỉ của điện kế G Nếu A không phải vật đen thì nhiệt độ được chỉ là nhiệt độ bức xạ T ̓ của vật. Nhiệt độ thực của A là T với T được tính theo biểu thức

Bộ phân tích năng lượng dùng bản cong ◙ Là phương pháp phân tích năng lượng ion dùng khối phổ kế. ◙ Cho biết thông tin về hàm phân bố năng lượng và hàm phân bố khối lượng của các ion từ khối plasma

NGUYÊN TẮC CHUẨN ĐOÁN ◙ Trong plasma, một số các ion dương được gia tốc,vượt ra khỏi miền bao plasma và đi vào một khẩu độ nhỏ, đến cặp bản cong đặt song song với nhau ◙ Các ion này chuyển động trong điện trường giữa 2 bản cong ◙ Chỉ có các ion chuyển động theo đường cong chính giữa 2 bản cong đi qua khe thoát đến detector 63

XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG ION ◙ Điện trường giữa 2 bản cong tác dụng lực lên các ion làm chúng chuyển động theo quỹ đạo cong, lúc này lực điện trường đóng vai trò lực hướng tâm: ◙ Điện trường xuyên tâm Er giữa 2 bản cong có bán kính cong trung bình R xấp xỉ bằng điện trường giữa 2 bản tụ song song cách nhau một khoảng d, và hiệu điện thế giữa 2 bản tụ 2VA ◙ Năng lượng Joule của các ion có khối lượng M, vận tốc vi ◙Thế pt (1),(2) vào (3),ta có: (eV) : Năng lượng ion với điện thế DC áp vào 2 bản cong

Tỉ lệ với: ◙ Điện thế áp vào các bản cong ◙ Dạng hình học của các bản cong

KHỐI PHỔ KẾ Là dụng cụ để tách các hạt chất bị ion hóa theo khối lượng của chúng , hoạt dộng dựa trên tác dụng của điện trường hoặc từ trường lên chùm ion bay trong không gian Buồng ion hóa Bộ phân tích Ion detector Khối phổ Hệ thống xử lý dữ liệuệ Buồng chân không

BỘ PHÂN TÍCH ◙ Là bộ phận phân ly các ion có khối lượng khác nhau thành từng phần dựa vào sự làm chệch hướng của các ion so với quỹ đạo ban đầu của chúng khi đi vào điện, từ trường tùy theo tỉ số m/z (mass/charge). ◙ Điểm mấu chốt của kĩ thuật là: độ phân giải tốt, phép đo khối lượng chính xác, nhạy CÁC LOẠI BỘ PHÂN TÍCH ◙ Bộ phân tích từ: có độ phân giải lớn nhưng cồng kềnh ◙ Bộ phân tích tứ cực: có độ phân giải đủ lớn,cấu trúc gọn nhẹ ◙ Bộ phân tích theo thời gian bay: có cấu trúc gọn nhẹ nhưng độ phân giải thấp ◙ Bộ phân tích cộng hưởng ion cyclotron: không được sử dụng phổ biến

BỘ PHÂN TÍCH TỨ CỰC ◙ Cấu tạo: gồm có 4 trục, được đặt song song từng đôi một. Hai trục đối nhau dược cung cấp điện thế +(U+V cos ωt), hai trục đối nhau còn lại được cung cấp điện thế -(U+V cos ωt) -(U+Vcosωt) +(U+Vcosωt) U:điện thế một chiều V: điện thế xoay chiều 68

BỘ PHÂN TÍCH TỨ CỰC ◙ Hoạt động: Tác dụng của điện thế giữa các trụ làm thay đổi quỹ đạo của các ion vào đúng đường chính giữa của 4 trụ. Sự điều chỉnh dòng AC va DC chỉ cho các ion có cùng tỉ số m/z đến detector tại một thời điểm, còn những ion khác được đưa về quỹ đạo ban đầu. Phổ khối lượng nhận được là do sự điều khiển quỹ đạo của các ion bằng cách thay đổi điện áp trên các trụ. Có 2 cách thay đổi điện áp: thay đổi ω, còn U,V là không đổi hoặc thay đổi U,V sao cho U/V =const

TỨ CỰC CÓ KHẢ NĂNG THAY ĐỔI CHẾ ĐỘ TRUYỀN mass scanning mode U/V = const m1 m3 m4 m2 single mass transmission mode U,V= const,thay đổi ω m2 m3 m1 m4

PHÉP ĐO TRỰC TIẾP HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÙNG BỘ PHÂN TÍCH

PHÉP ĐO HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG DÙNG BỘ PHÂN TÍCH TỨ CỰC

GIAO THOA KẾ VIBA (MICROWAVE INTERFEROMETRY)

GIỚI THIỆU CHUNG Tác dụng Ưu điểm: Nguyên tắc: Đo mật độ electron của dòng plasma phát sáng. Ưu điểm: Không làm xáo trộn, và gây ra những hiệu ứng không đáng kể trên plasma Nguyên tắc: Nguyên tắc hoạt động dựa vào sự thay đổi pha của chùm sóng viba khi nó đi qua cột plasma. Sự thay đổi pha tỉ lệ với tích phân mật độ dọc theo đường dẫn chùm tia. Sự thay đổi pha được xác định dựa vào giao thoa kế

PHƯƠNG PHÁP Bức xạ được làm chậm lại khi qua môi trường plasma (có chỉ số khúc xạ lớn hơn 1 ).So sánh pha của bức xạ được làm chậm này với pha của bức xạ khi không qua plasma..Xác định độ lệch pha của hai bức xạ này , từ đó xác định được mật độ của electron có trong plasma. Microwave PLASMA mixer DDC

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quan hệ giữa pha đo được (rad) và phần thực của chỉ số khúc xạ được cho bởi: Chỉ số khúc xạ chuẩn của giao thoa kế Chỉ số khúc xạ của ống plasma L: quãng đường truyền của sóng viba trong plasma (m)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi tần số va chạm nhỏ hơn tần số của sóng viba, ta có phần thực của chỉ số khúc xạ trong plasma không nhiễm từ là: Trong đó: : mật độ electron (electron/m3) : mật độ giới hạn (mật độ cắt) (electron/m3) electrons/m3.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong hầu hết plasma phóng điện phát sáng: ne (x) << nc (1. 4) Thay 1.4 vào 1.1 ta được: (1. 5) : là tần số của bức xạ viba (Hz)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mật độ trung bình của electron trong plasma được định nghĩa (1. 6) Thay 1.6 vào 1.5 ta có: (1. 7) (1. 8)

XÁC ĐỊNH ĐỘ LỆCH PHA Dùng giao thoa kế Michelson xác định độ lệch pha microwave - Để khắc phục việc tín hiệu qua plasma hai lần người ta dùng giao thoa kế Mach-Zehnder ( qua môi trường plasma 1 lần)

Dùng giao thoa kế Mach Zehnder plasma microwave Tín hiệu chỉ qua plasma 1 lần

Giao thoa kế Mach-Zehnder

m : khối lượng electron : tần số của bức xạ viba L : quãng đường truyền của sóng viba trong plasma. : hằng số điện môi : tần số của sóng viba e : độ lớn điện tích electron

PHƯƠNG PHÁP QUAY PHIM TỐC ĐỘ CAO Công dụng : quan sát hình ảnh plasma -Thời gian xảy ra sự phóng điện xung trong chất khí chỉ bằng một phần triệu của giây. Vì vậy cần thiết phải có sự chụp ảnh và quay phim cực nhanh để ghi lại hình ảnh của plasma. - Hiện nay ngành vật lý thực nghiệm đã được trang bị những buồng chiếu phim và máy quay phim cực nhanh có thể ghi được 10 000 000 bức ảnh trong một giây. - Phương pháp chụp ảnh nhanh và quay phim cực nhanh đã mang lại những kết quả tốt đẹp trong nghiên cứu những quá trình tiến triển nhanh. Ví dụ như sự phóng điện xung, tia lửa điện và chớp.

HÌNH ẢNH QUAN SÁT PLASMA

HÌNH ẢNH QUAN SÁT PLASMA

HÌNH ẢNH QUAN SÁT PLASMA

HÌNH ẢNH QUAN SÁT PLASMA

Ảnh chụp plasma ở từng thời điểm khác nhau

Một số phương pháp chẩn đoán khác Sử dụng đầu dò từ Dùng sóng vô tuyến Tán xạ Thomson Tán xạ Rayleigh, tán xạ Raman Phương pháp LIF-Laser Induced Fluorescence

Đầu dò từ Cấu tạo: Đầu dò từ trường là một vòng dây rất nhỏ đường kính chỉ vào khoảng 1mm Vòng dây được giữ vững ở đầu ống phóng điện nhỏ bằng thạch anh.

Nguyên tắc hoạt động: Đầu dò được đưa vào trong plasma Sự biến thiên từ trường trong vòng dây làm điện áp hai đầu của đầu dò thay đổi Một máy dao động ký ghi lại sự thay đổi điện áp. Dựa vào sự thay đổi điện áp ta biết được sự phân bố từ trường trong plasma

Vai trò Cho biết được sự phân bố cường độ từ trường trong ống phóng điện Khi biết sự phân bố từ trường, ta có thể thiết lập sự phân bố dòng điện trong plasma. Nhược điểm đầu dò bị bốc hơi, làm xuất hiện những tạp chất trong plasma.

Chẩn đoán Plasma ở tầng điện ly bằng sóng vô tuyến

Tầng điện ly (ionosphere) Tầng điện ly là tầng ở trên cùng của khí quyển do tác dụng của Mặt Trời bị ion hóa Plasma ở tầng điện ly có 3 loại hạt: trung hòa, ion và electron. 96

Cấu trúc tầng điện ly 97

Tần số plasma Sự lan truyền sóng điện từ trong plasma ne: nồng độ electron M: khối lượng electron e: điện tích electron Sự lan truyền sóng điện từ trong plasma Nếu tần số sóng điện từ f<fp sóng bị phản xạ ngược trở lại Nếu tần số sóng điện từ f>fp sóng truyền qua plasma Sóng vô tuyến có tần số thấp nên bị phản xạ bởi tầng điện ly do đó để chẩn đoán plasma của tầng điện ly người ta thường dùng sóng vô tuyến

Sự phản xạ được dùng để đó chiều cao và nồng độ của tầng điện ly Tầng điện ly gồm nhiều lớp, khi tần số sóng lớn hơn thì nó bị phản xạ ở lớp cao hơn và ngược lại Phát tín hiệu sóng vô tuyến có tầng số xác định lên tầng điện ly và thu lai tín hiệu phản xạ ta có thể xác định được nồng độ plasma Lower frequency Higher frequency

Giới thiệu một số phép chẩn đoán Một máy phát sóng vô tuyến sẽ phát sóng lên tầng điện ly Một máy thu sẽ thu nhận tín hiệu phản xạ Tín hiệu thu được sẽ được xử lý dưới dạng phổ Dưới đây là một ví dụ minh họa Đồ thị gồm 2 trục, trục tần số và trục năng lượng

Nồng độ Nồng độ của vùng plasma tỉ lệ với tổng năng lượng phản xạ trở về Đồ thị trên gây ra bởi vùng có nồng độ plasma cao, Đồ thị dưới tương ứng với vùng có nồng độ thấp

k – hằng số Boltzmann (1.38 * 10-23 J/K) Nhiệt độ ion Cool Ions Vận tốc của ion tỉ lệ với độ rộng của tín hiệu, Điều này gây ra bởi hiệu ứng mở rộng vạch phổ Doppler Nhiệt độ Ion có thể được tính từ vận tốc và khối lượng của nó theo công thức Hot Ions m v2 = 3 k T m – khối lượng ion v – vận tốc ion k – hằng số Boltzmann (1.38 * 10-23 J/K) T – nhiệt độ ion ( K)

Nhiệt độ Electron Nhiệt độ electrons thường cao hơn nhiệt độ ion Liên hệ giữa nhiệt độ của chúng tương ứng với liên hệ giữa đỉnh phổ và chỗ lõm trên đồ thị Hot electrons Cool electrons

Tán xạ Thomson Tán xạ Thomson là tán xạ của photon ánh sáng với các electron tự do trong plasma Dựa vào số photon bị tán xạ ta biết được nồng độ electron có trong plasma. Bộ phận thu (detector) sẽ ghi nhận số photon bị tán xạ và xử lý cho hình ảnh phổ. Độ mở rộng của phổ theo hiệu ứng dopper cho biết vận tốc của electron từ đó suy ra nhiệt độ của electron

Sợ đồ chẩn đoán

Bố trí thí nghiệm tán xạ Thomson tại phòng thí nghiệm Polydiagnostic (Hà lan)

Tán xạ Rayleigh và Raman Tán xạ Rayleigh là tán xạ của photon ánh sáng với các hạt nặng (ion, nguyên tử) trong plasma Tán xạ raman: phân tử cũng làm tán xạ photon như nguyên tử, tuy nhiên đối với phân tử phải xét đến năng lương quay hay dao động, vì vậy phổ tán xạ có nhiều đỉnh Cách tiến hành chẩn đoán tương tự như tán xạ Thomson, trên cơ sở phổ thu được ta xác định được nhiệt độ và nồng độ các hạt nặng

Phổ tán xạ Raman và Rayleigh

Phương pháp LIF - Laser Induced Fluorescence fiber bundle power meter collection optics Plasma beam dump Detector Diode or Dye Laser Sử dụng nguồn sáng laser để kích thích các nguyên tử ở các mức năng lượng , một số nguyên tử nhận năng lượng để chuyển lên các mức kích thích cao hơn và sau đó bức xạ ánh sáng huỳnh quang với một số bước sóng nhất định Bức xạ huỳnh quang thu được nhờ một detector và xử lý bằng máy tính, dựa trên phổ thu được ta xác định được nồng độ hạt Nguồn laser thường dùng là laser màu (330-900 nm) hoặc laser Nd-YAG laser (~380-900 nm)

Sơ đồ kích thích thủy ngân Nguồn laser bơm có bước sóng 546.1 nm (màu đỏ), Tín hiệu huỳnh quang LIF có thể là 435 nm hoặc 405 nm.