TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

1. Các phương pháp chẩn đoán plasma TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA VẬT LÝBỘ 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

2. Lưulạithông tin cầnthiết: Địachỉbạnđãtải: 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

4. 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

5. 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

6. 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.

7. 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.

8. 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: KHÁI NIỆM PLASMA

9. Một số dạng Plasma

10. 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

11. Ví dụ chẩn đoán plasma trong tokamak

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

14. 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 …. ..

15. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÁT XẠ

16. 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.

17. 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

18. Cácnguyên 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. 1. Bức xạ gián đoạn:

19. 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. 2. Sự bức xạ tái hợp: Hình ảnh của phổ mặt trời

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

21. 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

22. 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)

23. 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)

24. - 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) 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:

25. 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).

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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. Bằng cách thay đổi nhiệt độ cuả vật đen, ta vẽ được nhiều đặc trưng ứng với nhiều nhiệt độ khác nhau

30. 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

31. 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

32. 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….

33. 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

34. 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.

35. 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

36. 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. • Nhược điểm • đầu dò bị bốc hơi, làm xuất hiện những tạp chất trong plasma.

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

38. 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

39. 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)

40. Y X Voltage Power - + Plasma amp amp Ramp Current Sensing Resistor Current Sơ đồ hệ thống chẩn đoán dùng đầu dò langmuir • 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.

41. 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

42. Khi plasma ở trạng thái cân bằng, nó có một thế năng • nhất định gọi là thế plasma ký hiệu: Vp • Plasma DC: Vp = const • Plasma RF: Vp = Vp(t) Mối liên hệ giữa thế bao (Vs), thế nổi (Vf) và thế plasma (Vp): Vp = Vs + Vf 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.

43. 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:  Ti≈ 0 x V = 0 x = 0

44. Mật độ dòng e đến đầu dò: Mật độ dòng ion đến đầu dò: Trong đó: (*’)

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

46. 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 Miền B: Dòng ion và electron đầu dò thu nhận được:chạm vào nó Điện thế

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

48. Cường độ dòng điện (μA) Thế plasma Vp  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 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: Iionbão hòa << Ie bão hòa do Mi >> me

49. Cường độ dòng điện (μA) Thế plasma Vp Thế nổi Vf  V < Vp : Ie thay đổi theo quy luật hàm mũ (giả thiết hàm phân bố của e là Maxwell-Boltzmann). Điện thế  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).

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