Bài Giảng Các Phương Pháp Chẩn Đoán Plasma

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


Địa chỉ bạn đã tải:

/>
Nơi bạn có thể thảo luận:
/>
Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:



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:
1. Điều kiện gần trung hòa:

∑Z

n ≈0

e ,i e ,i

2. Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích
thước của miền chứa tập hợp đó:

rD = L


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
Tán xạ chùm laser
….

..

Nồng độ và nhiệt độ electron


Các phương pháp chẩn đoán
Sóng vô tuyến

Đầu dò
Langmuir

Tán xạ
Thomson

Đầu dò từ

Plasma

Phân tích quang
phổ phát xạ

Phân tích năng
lượng ion

Quay phim
tốc độ cao
Giao thoa kế
Microwaves

Đầu dò tĩnh điện Langmuir

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
 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
 e ( V p − V ) 
 me 
J e = n0 e 

÷ exp −
2
π
kT
kT
e 
e




1
2

Mật độ dòng ion đến đầu dò

kTe
1
J i = en0
2
Mi
cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được:

I = AJ e − AJ i


Cường độ dòng điện qua đầu dò
1

 e ( V − Vp )
 2M i  2
1

I = A en0vB −1 + 
÷ exp 
2
kTe
 π me 





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:

 e ( V p − VP ) 
 me 
1  8kTe 
I i << I e = A.J e = An0e 
 = eA n0 
÷ exp −
÷
2
π
kT
kT
4
π
m
e 
e
e 




1
2

1
2

1

2

1  8kTe 
I p ≈ I e = eA n0 
÷
4  π me 


 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:

1


2
 2M i 

 e(V f − V p ) 
1

 exp

I = 0 = A en0vB − 1 + 
2
 πme 
 kTe





kTe 2(V f − V p )
=
e
 2M i 

ln
 πme 


 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:
kTe
1
I = Aen0
2
Mi