TRNG I HC KHOA HC T NHIN KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG 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%20 hoc%20 quang%20 dien%20 tu/Semina%20 tren%20 lop/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: thanhlam 1910_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 Tolk gọi chất khí ở trạng thái dẫn điện là plasma

• 1667, nhà bác học Floreltre phát hiện ra ngọn lửa đèn có tính dẫn điện. • 1698, tiến sĩ Volt người Anh phát 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

• • • 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.

• Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng minh rằng một loại chuyển động tập thể mới, gọi là “sóng từthủy 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: 1. Điều kiện gần trung hòa: 2. 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

Quay phim tốc độ cao Phân tích năng lượng ion Giao thoa kế Microwaves Tán xạ chùm laser Phân tích quang phổ phát xạ Plasma Tán xạ Thomson Đầu dò từ Đầu dò langmuir

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 …. . .

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 -1000 nm (vùng UVVIS). Chỉ có một vài nguyên tố á kim hay kim loại kiềm mới có một số vạch phổ nằm ngoài vùng này.

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/ g 0). 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 m 0. Na (gm/ g 0). hν. exp ( -ΔEmo/k T)

Đối với một loại nguyên tử và trong một nhiệt độ plasma nhất định thì các yếu tố Amo, 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 m 0 (gm/ g 0) 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 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: A C 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 = T 4 • Với các vật thực (không đen) thì năng suất phát xạ toàn phần R < R vđ Vậy: R < T 4

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 *T 4 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

Đầu dò từ Cấu tạo: • Đầu dò từ trường là một vòng dây rất nhỏ đường kính chỉ vào khoảng 1 mm • 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 cảu phương pháp đầu dò từ • 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. • Ngoài ra có thể biết được cả nhiệt độ của plasma. v. Nhược điểm đầu dò bị bốc hơi, làm xuất hiện những tạp chất trong plasma.

Langmuir Probes Measurable parameters • electron temperature • plasma density • electron energy distribution function • floating potential • plasma potential wire insulator I V Voltage Generator plasma

Cấu tạo đầu dò Langmuir 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. Lớp điện môi Sợi dây kim loại mảnh làm bằng Tungsten hay Modylen, Thép không gỉ

Sơ đồ mắc mạch v 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)

Sơ đồ hệ thống chẩn đoán dùng đầu dò langmuir Y X Voltage Power amp - + Plasma amp Ramp Current Sensing Resistor Current • Ramp Voltage is applied to the plasma and the V/I characteristic is recorded using an oscilloscope. • Data from the oscilloscope is then sent to a PC for further analysis. • Ion as well as electron temp. and density can be found from V/I. • These characteristics are important for setting the plasma process parameters.

Đường đặc trưng Volt - Ampere Các hạt mang điện khuyếch tán đến thành ống, đặc biệt là các e > Thành ống tích điện âm Một lớp mỏng điện tích dương xuất hiện gần bề mặt thành bình, có tác dụng như lớp vỏ bao lấy plasma, ngăn dòng khuyếch tán ion dương. Thế năng tại lớp vỏ mỏng gọi là thế bao (Sheath Potential) Khi đưa đầu dò Langmuir vào bên trong plasma, các e bao quanh đầu dò, hình thành màn chắn tĩnh điện Màn chắn tĩnh điện này “thu hút” các ion dương và ngăn chặn các e kế tiếp di chuyển đến đầu dò cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng. . Thế năng tại màn chắn gọi là thế nổi (Floating Potential). Ký hiệu: Vf

Khi plasma ở trạng thái cân bằng, nó có một thế năng nhất định gọi là thế plasma ký hiệu: Vp Q Plasma DC: Vp = const Q Plasma RF: Vp = Vp(t) Mối liên hệ giữa thế bao (Vs), thế nổi (Vf) và thế plasma (Vp): Vp = V s + V f V > Vp V < Vp I>0 I<0 Giả sử, thế đầu dò là thế âm, ta sẽ xác định nồng độ ion trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò.

Tiêu chuẩn Bohm Trong vùng điện tích không gian bao quanh đầu dò không có tái hợp giữa các điện tích. Tại biên phân cách giữa vùng trung tính và vùng không trung tính (x = 0): Nồng độ e tuân theo phân bố Bolztmann: V=0 x Ti ≈ 0

cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được: Trong đó: A là tiết diện của đầu dò

Đường đặc trưng Volt - Ampere Cường độ dòng điện (μA) Miền A: Khi V > Vp, không tồn tại màn chắn điện bao quanh đầu dò, dòng I → Ibão hòa = Ie bão hòa. Đầu dò có thể thay thế cho anode hút các dòng điện tích. Thế plasma Vp Thế nổi Vf Điện thế Miền B: Dòng ion và electron đầu dò thu nhận được: chạm vào nó

Cường độ dòng điện (μA) Thế plasma Vp Thế nổi Vf Điện thế Nhiệt độ e: 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.

Cường độ dòng điện (μA) 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. Thế plasma Vp Thế nổi Vf Điện thế 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). Phương trình cân bằng của dòng ion: Iion bão hòa << Ie bão hòa do Mi >> me

Cường độ dòng điện (μA) Thế plasma Vp Thế nổi Vf Điện thế V < Vp : Ie thay đổi theo quy luật hàm mũ (giả thiết hàm phân bố của e là Maxwell-Boltzmann). V > Vp: Ie vẫn tiếp tục tăng nhưng bị giới hạn bởi màn chắn plasma V = Vp thì đường đặc trưng V – A có độ cong lớn nhất. Vì thế để xác định thế plasma ta dựa vào điều kiện sau: I”(Vp) = I”max hoặc I”(Vp) = 0 (Tiêu chuẩn Druyvesteyn).

Xác định các đặc trưng của plasma Nhiệt độ e Từ biểu thức xác định dòng electron đến đầu dò: Trong đó: Lấy ln hai vế: là cường độ dòng electron bão hòa (tại V ≈ Vp) (*) (**)

Từ đường đặc trưng Volt – Ampe ở hình trên, nếu ta biểu diễn lại trên trục semi-logarith ln. I = f(V), ta sẽ được đường thẳng với phương trình có dạng biểu thức (*) Độ dốc hay hệ số góc của đường thẳng này là Từ đây, ta xác định được nhiệt độ của electrong plasma: α Đường đặc trưng Volt – Ampe trong hệ semi-logarith ln. I = f(V)

Nồng độ e hay ion dương Từ biểu thức tính cường độ dòng electron bão hòa: Với nhiệt độ electrong plasma đã xác định ở trên, ta có thể tính được nồng độ electron (hay ion) trong plasma:

Typical Langmuir Probe I-V Curves full I-V curve floating potential Density from ion saturation temperature fitting plasma potential

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

ĐẦU DÒ PHÁT XẠ 2. Hoạt động. n 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.

• 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 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: • 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 • 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

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

ĐẦU DÒ FARADAY Hoạt động: § 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

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 trong LVTF

ĐẦU DÒ FARADAY

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

GIAO THOA KÊ VIBA (MICROWAVE INTERFEROMETRY)

GIƠ I THIÊ U CHUNG Công du ng: Đo mâ t đô electron cu a do ng plasma pha t sa ng DC (Direct Current) va RF (radio frequency) Ưu điê m: Không la m xa o trô n, va gây ra như ng hiê u ư ng không đa ng kê trên plasma Nguyên tă c: Nguyên tă c hoa t đô ng dư a va o sư thay đô i pha cu a chu m so ng viba khi no đi qua cô t plasma. Sư thay đô i pha ti lê vơ i ti ch phân mâ t đô do c theo đươ ng dâ n chu m tia. Sư thay đô i pha đươ c xa c đi nh dư a va o giao thoa kê Mach - Zehnder

GIAO THOA KÊ MACH - ZEHNDER Gương Detector Gương ba n ma

SƯ PHU THUÔ C GIƯ A M T ĐÔ ELECTRON CU A PLASMA VA ĐÔ DI CH PHA Quan hê giư a pha đo đươ c (rad) va phâ n thư c cu a chi sô khu c xa đươ c cho bơ i: rad (1. 1) Chi sô khu c xa chuâ n cu a giao thoa kê Chi sô khu c xa cu a ô ng plasma L: qua ng đươ ng truyê n cu a so ng viba trong plasma (m)

SƯ PHU THUÔ C GIƯ A M T ĐÔ ELECTRON CU A PLASMA VA ĐÔ DI CH PHA Khi tâ n sô va cha m nho hơn tâ n sô cu a so ng viba, ta co phâ n thư c cu a chi sô khu c xa trong plasma không nhiê m tư la : (1. 2) Trong đo : n (x) : mâ t đô electron (electron/m 3) nc : mâ t đô giơ i ha n (mâ t đô că t) (electron/m 3) (1. 3)

SƯ PHU THUÔ C GIƯ A M T ĐÔ ELECTRON CU A PLASMA VA ĐÔ DI CH PHA Trong hâ u hê t plasma pho ng điê n pha t sa ng: n(x) << nc (1. 4) Thay 1. 4 va o 1. 1 ta đươ c: (1. 5) : la tâ n sô cu a bư c xa viba (Hz)

SƯ PHU THUÔ C GIƯ A M T ĐÔ ELECTRON CU A PLASMA VA ĐÔ DI CH PHA Mâ t đô trung bi nh cu a electrong plasma đươ c đi nh nghi a (1. 6) Thay 1. 6 va o 1. 5 ta co : (1. 7) (1. 8)

HA N CHÊ Vi ki ch thươ c plasma thươ ng nho hơn qua ng đươ ng tư do cu a năng lươ ng so ng viba. à Điê u na y la m nhiê u ư ng pha n xa va giao thoa cu a ca c bư c xa viba. Đê khă c phu c ha n chê na y trong lo pha n ư ng plasma, câ n du ng so ng viba co tâ n sô 60 GHz hoă c cao hơn, tuy nhiên tra ng tha i na y râ t kho ta o ra trong ky thuâ t.

Giao thoa kế

Giao thoa kế microwaves

Máy phân tích sự trễ thế năng

H. 1 Sơ đồ máy phân tích sự trễ thế năng, được dùng để xác định hàm phân bố năng lượng của các ion đến bề mặt của mẫu.

3 hệ thống của máy phân tích: - Hệ thống đẩy (repeller grid): làm vô hiệu các electron và ion âm đến bản thu. - Hệ thống làm trễ (retarding grid): tăng thế để đẩy các ion dương di chuyển đến collector. - Hệ thống hủy electron (electron suppression grid): làm vô hiệu các điện tử thứ cấp được phát ra từ collector.

H. 1. 2. Hình dạng hình học của máy phân tích sự trễ thế với góc hình nón θ

Khi các ion đến lối vào của máy phân tích, và có phân bố theo vận tốc tuân theo phân bố Maxwell và đẳng hướng trong không gian vận tốc, tổng dòng ion xuyên qua khẩu độ lối vào A 0 là A : V Theo Roth và Clark, khi dòng ion đến đồng nhất trong khỏang từ 0 -θ 0 và plasma ở trạng thái ổn định, khi đó dòng ion đến bản thu của máy phân tích sự trễ thế được cho bằng: A V (1. 2) , 0 Khi vecto v > bán cầu và θ 0 =π/2, ta có A (1. 3)

Hình 1. 3 Ví dụ đặc trưng của dữ liệu thô và fit tốt nhất thu được từ phóng điện Penning áp suất thấp hỗn lọan với thế plasma Vp=1623 V và nhiệt độ động học ion Ti’=1905 e. V.

Khi các ion không tuân theo phân bố Maxwell, hàm phân bố năng lượng khi đó trở thành: (1. 4) Khi đó Imax cho bởi công thức A Với m/s (1. 5) (1. 6) Trong biểu thức (1. 4) hàm phân bố ion f(V) được lấy tích phân từ thế plasma đến thế V của máy phân tích. Nếu V →∞ thì khi đó hàm phân bố sẽ được chuẩn hóa (1. 7) hàm phân bố của bản thân các ion f(V) có thể thu được bằng cách lấy vi phân biểu thức ( 1. 7), ta được (1. 8)

Về phương diện thương mại, máy phân tích thế trễ thường được trang bị thêm phần mềm để thực hiện các phép tóan vi phân bao gồm cả biểu thức (1. 8) và vẽ kết quả hàm phân bố năng lượng ion. Để góp phần hiểu rõ hơn các hàm phân bố năng lượng ion , bốn vị dụ điển hình được mô trong hình 1. 4. Hình 1. 4 Các ví dụ mô tả các hàm phân bố năng lượng ion được lấy tích phân thu được từ máy phân tích sự trễ thế năng, trong đó cột bên tay trái là hàm phân bố năng lượng ion và cột bên tay phải là hàm phân bố được lấy tích phân.

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

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 Buồng chân không Hệ thống xử lý dữ liệuệ Khối phổ

KHỐI PHỔ KẾ BỘ PH N 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 PH N 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 PH N TÍCH TỨ CỰC ◙ Cấu tạo: gồm có 4 trục , được đặt song từng đôi một. -(U+Vcosωt) +(U+Vcosωt) U: điện thế một chiều V: điện thế xoay chiều ◙ Hoạt động: như bộ lọc khối , vận hành bằng cách kết hợp thế DC và RF. Chỉ cho dòng ion có quỹ đạo ổn định, cùng tỉ số m/z đến detector tại một thời điểm.

TỨ CỰC CÓ KHẢ NĂNG THAY ĐỔI CHẾ ĐỘ TRUYỀN m 2 m 4 m 1 m 4 m 3 m 2 m 2 m 1 m 3 mass scanning mode U/V = const m 2 m 4 m 1 m 3 m 2 single mass transmission mode U, V= const, thay đổi ω m 2

NGUYÊN TẮC CHẨN ĐOÁN ◙ Trong plasma, 1 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 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

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 cách nhau một khoảng d, và hiệu điện thế giữa 2 bản tụ 2 VA ◙Năng lượng Joule của các ion có khối lượng M, vận tốc vi ◙Thế pt (1), (2) vào (3), ta có: (e. V) : 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

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

PHÉP ĐO HÀM PH N BỐ NĂNG LƯỢNG DÙNG BỘ PH N TÍCH TỨ CỰC

Một số phương pháp chẩn đoán khác Tán xạ Thomson Quang phổ khả kiến Quang phổ hấp thụ Tán xạ chùm laser Quay phim tốc độ cao

DÙNG MÁY QUAY PHIM TỐC ĐỘ CAO ĐỂ CHẨN ĐOÁN PLASMA CẤU TẠO: • • Hệ thấu kính hội tụ Tấm chắn Gương quay Màn phim

Tán xạ Thomson scattering is scattering off free electrons in the plasma. The electrons are set oscillating by the incoming laser beam, and then radiate as dipole radiators. The intensity of the scattered radiation gives the electron density, the double-Doppler broadening of the scattered radiation gives the electron temperature.

The ITER LIDAR Thomson scattering system

Optical Spectroscopy - the least intrusive in-situ plasma diagnostics Plasma spectra Particle Degree of freedom Type of spectrum Spectral region Atom or ion Electronic excitation Ionization Translation Recombination Free-free transition Rotation Vibration-rotation Electronic excitation Line Continuum Line profiles Continuum Line band systems UV-visible-IR Electrons Molecules • Optical emission spectroscopy • Actinometry • Absorption spectroscopy • Laser Induced Fluorescence (LIF) UV-visible IR Far-infrared IR UV-visible-IR

Optical Emission Spectroscopy • Optical emission comes from the excited, emitting species generated by • electron impact excitation and dissociation • ion impact process • Experimental setup for OES Monochramator Plasma Photomultiplier Amplifier Recorder Grating Optical fiber • Identification of ions : mostly < 200 nm, monochromator should be under vacuum (vacuum UV ; < 110 nm), need spectrometer resolution of 0. 1 to 1 nm (1 m focal length -> 0. 01 nm resolution, Fabre-Perot interferometer ~ 0. 0005 nm resolution

Optical Emission Spectroscopy • Difficulties • the extreme complexity of emission spectra • the dependency of the optical emission intensity on the ability of the plasma to excite the ground state species into electronically excited emitting species • Actinometry : A small quantity (1 -2 %) of an inert gas, called as actinometer, is mixed into the gas fed to the plasma without affecting plasma parameters. If the quantum yield and the cross section of the reactive and inert species have the same energy dependence, the following relation exists; Emission intensity of inert gas Concentration of reactive species • Electron temperature or electron energy distribution can be obtained from the line ratio measurements.

Absorption Spectroscopy Advantages: • Absorption spectroscopy can supplement the optical emission diagnostics which are limited the existing excited species. • Requires higher resolution to overcome background radiation. • Easy implementation by adding an external light source • Continuum light sources for diatomic and polyatomic species • UV range of 160 -350 nm : deuterium lamp • visible region : tungsten lamp Disadvantages: • Requires vacuum ultraviolet sources for many elements of interest • Low sensitivity in the infrared region of the spectrum • Spectrums of multi-component mixtures can overlap

Laser Induced Fluorescence (LIF) Plasma power meter beam dump Diode or Dye Laser collection optics Detector fiber bundle • Dye laser pumped by either an excimer laser (330 -900 nm) or a Nd. YAG laser (~380 -900 nm) are highest in peak power and are most common tunable pulsed sources. • High sensitivity and selectivity • LIF measures Time- and space-resolved ion distribution functions • Disadvantages : limited available tunable laser sources, complex apparatus and operations

Visible spectrometer • [Objectives] To observe spectral lines, bands and their spatial profile for study of atomic and molecular processes in the divertor plasmas. • [Diagnostic method] Emission collimated with lenses is transmitted through 16 optical fibers from the torus hall to a diagnostic room. The light from the optical fibers is dispersed with the spectrometer and the imageintensified CCD camera observes the image of the fibers. http: //www-jt 60. naka. jaeri. go. jp/diag/html/diag_30. html