Dijagnostika vodonično-argonske plazme proizvedene u T-cevi

УНИВЕРЗИТЕТ

У

НОВОМ

САДУ

ПРИРОДНО

 – 

МАТЕМАТИЧКИ

ФАКУЛТЕТ

ДЕПАРТМАН

ЗА

ФИЗИКУ

Дијагностика

водонично

-

аргонске

плазме

произведене

у

Т

-

цеви

- 

дипломски

рад

 - 

Ментор

: 

Кандидат

: 

Проф

. 

др

Зоран

Мијатовић

Бојан

Миљевић

Нови

Сад

, 2007. 

Бојан

Миљевић

, 

Дипломски

рад

Хвала

ближњима

на

стрпљењу

, 

хвала

колегама

на

разумевању

и

хвала

Богу

за

све

. 

Увод

Бојан

Миљевић

, 

Дипломски

рад

У

У

В

В

О

О

Д

Д

Под

дијагностиком

плазме

подразумева

се

одређивање

електронске

концентрације

и

температуре

као

два

најважнија

параметра

плазме

. 

Плазма

, 

најгрубље

речено

, 

је

јонизован

гас

, 

тј

. 

систем

неутралних

и

наелектрисаних

честица

  (

јона

и

електрона

), 

у

којем

доминантну

улогу

имају

колективни

процеси

, 

односно

, 

интеракција

између

честица

је

условљена

постојањем

микроелектричног

поља

које

потиче

од

свих

присутних

наелектрисаних

честица

. 

Више

о

плазми

и

критеријумима

динамичке

равнотеже

биће

речи

у

теоријском

уводу

. 

e

N

T

У

другој

глави

биће

описан

извор

плазме

који

је

коришћен

у

експерименту

, 

а

то

је

електромагнетна

ударна

Т

-

цев

у

којој

плазма

настаје

ударним

таласом

, 

и

тако

произведена

плазма

има

веома

високе

параметре

, 

концентрацију

и

температуру

који

су

погодни

за

примену

метода

коришћених

у

овом

раду

. 

Т

-

цев

је

импулсни

извор

пражњења

који

се

одликује

радијалном

хомогеношћу

и

има

добру

репродуцибилност

. 

Радни

гас

је

мешавина

водоника

и

аргона

. 

У

трећој

глави

је

описана

шема

експеримента

, 

како

за

произвођење

плазме

, 

тако

и

за

њено

оптичко

посматрање

. 

Затим

ће

, 

у

четвртој

глави

, 

бити

описани

дијагностички

методи

и

технике

које

се

обично

користе

. 

Детаљније

ће

бити

обрађени

методи

коришћени

у

овом

раду

и

то

: 

ласерска

интерферометрија

за

одређивање

електронске

концентрације

и

два

метода

за

одређивање

електронске

температуре

и

то

: 

из

нагиба

Болцман

-

плота

и

из

односа

интезитета

линија

једном

јонизованог

и

неутралног

аргона

. 

На

крају

ће

бити

представљени

резултати

добијени

експерименталним

путем

и

њихово

објашњење

у

закључку

. 

1 

Глава

 I: 

Теоријски

увод

Бојан

Миљевић

, 

Дипломски

рад

ГЛАВА

 I 

Т

Т

Е

Е

О

О

Р

Р

И

И

Ј

Ј

С

С

К

К

И

И

У

У

В

В

О

О

Д

Д

1.1. 

Г

АСНА

П

ЛАЗМА

Основна

разлика

између

неутралног

гаса

и

гасне

плазме

је

то

што

је

у

плазми

присутно

знатно

електромагнетно

микроскопско

поље

, 

а

главна

карактеристика

гасне

плазме

је

налажење

једног

дела

њених

честица

у

јонизованом

стању

. 

Адекватна

молекуларно

-

кинетичка

слика

плазме

може

да

се

добије

ако

се

замисли

високотемпературни

гас

јонизованих

атома

и

електрона

, 

који

се

хаотично

крећу

и

сударају

, 

при

чему

су

брзине

кретања

и

енергије

судара

знатно

више

него

код

неутралног

гаса

 [1]. 

Елементарни

процес

којим

се

стварају

наелектрисане

честице

у

плазми

је

јонизација

атома

гаса

, 

односно

један

од

судара

у

којем

између

два

атома

долази

до

откидања

електрона

из

електронског

омотача

једног

од

њих

, 

а

за

то

је

потребно

да

енергија

бар

једног

од

атома

који

се

сударају

буде

већа

од

енергије

јонизације

. 

Постоји

више

механизама

јонизације

: 

сударна

јонизација

, 

јонизација

апсорпцијом

фотона

довољно

велике

енергије

 (

фотојонизација

), 

затим

, 

термална

јонизација

, 

јонизација

у

нееластичном

судару

са

електроном

, 

а

могући

су

и

процеси

вишеструке

јонизације

. 

У

лабораторијским

условима

, 

за

формирање

јона

одређену

улогу

имају

и

процеси

захвата

електрона

где

неутрални

атоми

гаса

узимају

прекобројни

електрон

и

тако

образују

негативан

јон

. 

Поред

јонизације

, 

истовремено

се

одвија

и

супротан

процес

, 

рекомбинација

, 

нееластичан

судар

електрона

и

позитивног

јона

који

доводи

до

образовања

неутралног

атома

. 

Након

релативно

кратког

времена

, 

између

јонизације

и

рекомбинације

успоставља

се

стационарно

стање

динамичке

равнотеже

. 

По

дефиницији

, 

плазма

је

систем

наелектрисаних

честица

чије

се

понашање

одређује

колективном

интеракцијом

заснованом

на

Кулоновим

силама

 [1]. 

Потенцијал

ових

сила

је

сразмеран

са

1

−

r

па

су

то

силе

дугог

домета

и

колективна

интеракција

у

плазми

почиње

да

се

осећа

већ

при

релативно

малој

процентуалној

јонизацији

и

има

низ

специфичних

последица

као

што

су

макроскопска

квазинеутралност

, 

Дебајево

екранирање

, 

плазмене

осцилације

, 

итд

. 

У

земаљским

условима

гасна

плазма

представља

реткост

попут

муње

, 

поларне

светлости

или

у

јоносфери

, 

међутим

, 

у

Васиони

представља

доминантно

агрегатно

стање

. 

Преко

 99% 

материје

налази

се

у

стању

плазме

или

као

грађа

звезда

или

у

облику

међузвезданог

гаса

. 

 2 

Глава

 I: 

Теоријски

увод

Бојан

Миљевић

, 

Дипломски

рад

e

e

e

e

T

k

n

e

T

k

n

e

T

k

n

e

r

B

0

2

i

B

0

i

2

i

B

0

2

2

D

2

1

ε

ε

ε

=

+

=

, 

e

e

n

e

T

k

r

2

B

0

D

2

ε

=

и

први

критеријум

плазменог

стања

каже

да

мора

да

важи

: 

2

D

2

B

0

2

r

e

T

k

n

e

e

ε

>>

. 

Ако

је

реда

величине

 10 cm, 

а

T

D

r

e

износи

 10

4

 K, 

тада

концентрација

електрона

мора

бити

много

већа

од

 10

9

 m

-3

 (10

3

 cm

-3

), 

што

је

у

реалности

испуњено

. 

Што

се

тиче

другог

критеријума

, 

колизионе

фреквенције

су

обично

у

интервалу

Hz

 )

10

10

(

4

3

α

−

=

ν

, 

док

су

најниже

вредности

плазмених

осцилација

реда

величине

 10

6

 Hz. 

Из

свега

наведеног

може

да

се

закључи

да

сваки

гас

на

релативно

високој

температури

постаје

плазма

. 

1.3. 

М

ОДЕЛ

Л

ОКАЛНЕ

Т

ЕРМОДИНАМИЧКЕ

Р

АВНОТЕЖЕ

Модел

локалне

термодинамичке

равнотеже

  (

ЛТР

, 

енг

: 

LTE

) 

је

, 

уз

стационарни

коронални

модел

и

сударно

радијативни

модел

, 

најкарактеристичнији

и

најприсутнији

. 

Плазма

чија

се

популација

мења

са

временом

назива

се

нестационарном

, 

али

под

одређеним

физичким

условима

, 

када

се

параметри

посматране

плазме

не

мењају

сувише

брзо

, 

могуће

је

рећи

да

је

стационарна

. 

Математички

гледано

, 

није

лако

решити

системе

једначина

које

нам

дају

услове

стационарности

, 

па

се

користи

модел

ЛТР

који

представља

једноставнији

модел

популационо

-

депопулационих

процеса

у

плазми

. 

У

моделу

локалне

термодинамичке

равнотеже

расподела

електрона

по

нивоима

је

одређена

искључиво

сударним

процесима

 [2]. 

Ови

процеси

треба

да

се

дешавају

тако

брзо

да

расподела

електрона

зависи

тренутно

од

било

које

промене

у

условима

плазме

. 

Под

таквим

условима

сваки

процес

је

праћен

инверзним

процесом

са

истом

вероватноћом

по

принципу

детаљне

равнотеже

. 

У

том

случају

расподела

електрона

је

иста

као

у

систему

са

потпуном

термодинамичком

равнотежом

. 

Иако

се

температура

и

електронска

концентрација

могу

мењати

у

простору

и

времену

, 

посматрана

популација

у

било

којој

тачки

и

било

ком

тренутку

зависи

од

локалне

вредности

температуре

и

електронске

концентрације

. 

Слободни

електрони

имају

Максвелову

расподелу

по

брзинама

: 

v

v

kT

v

m

kT

m

N

N

e

e

e

e

e

v

d

2

exp

2

4

d

2

2

2

3

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

π

π

            (1.5) 

а

популација

енергетских

нивоа

дата

је

Болцмановом

и

Саха

једначином

. 

Болцманова

једначина

има

облик

: 

 4