|
На физическом факультете в итоге каждого практикума студенты выполняют курсовую работу, которая является самостоятельным научным исследованием.
Так как я решил специализироваться в физике плазмы, то для выполнения курсовой работы выбрал факультатив "Физика газового разряда" под руководством А. С. Золкина. Тема факультатива является основой плазменных технологий - важной прикладной части современной физики плазмы.
Существует, конечно, много нерешенных проблем в этой области, но мы решили исследовать особенности газового разряда с полым катодом. Он интересен как с точки зрения фундаментальной физики, так и в приложениях, например, для лазеров, ионных и кластерных источников, а также в спектроскопии. Разряд с полым катодом отличается от разряда с плоскими электродами тем, что в этом случае катодный электрод выполнен в виде полого цилиндра. Это позволяет повысить плотность тока и получить однородную разрядную плазму.
За время работы мне удалось выполнить фактически два исследования. Первое относится к вольт-амперным характеристикам газового разряда и их связи с геометрией полого катода. Здесь мы ожидали обнаружить некоторые особенности горения разряда с катодами различной длины. Например, известно, что эффективность полого катода сильно зависит от наличия внутри него быстро осциллирующих электронов, выбитых из металла положительными ионами плазмы. В случае малой длины катода электроны легко покидают полость, и плотность тока, а также ионизованность плазмы уменьшаются.
Для решения поставленной задачи необходимо было создать экспериментальную установку. На нашем факультативе все установки для изучения газового разряда собраны на основе разработанного в университете комплекса специальных блоков, из которых как из конструктора можно собирать различные вакуумные камеры. Для того чтобы произошел пробой в промежутке между электродами должен быть вакуум ~10-2 мм. рт. ст. Поэтому пришлось основательно потренироваться в правильном закручивании гаек, подборе вакуумных уплотнителей и тому подобных тонкостях, хорошо известных каждому физику-экспериментатору. В связи с этой работой вспоминается множество интересных и смешных случаев. Когда я впервые пытался получить разрежение в одном из блоков, то забыл закрыть фланцем его нижнее отверстие, его было плохо видно со стороны. В итоге, после 15 минут откачки стрелка вакуумметра продолжала невозмутимо стоять на нуле, а я упорно закручивал прижимающие фланцы гайки. Только после совета собрать все заново я через отверстие в верхней части блока обнаружил четырехсантиметровую дыру в днище.
В результате исследования вольт-амперных характеристик полого катода нами было установлено, что в режиме тлеющего разряда при постоянном напряжении между электродами интегральная плотность тока на катоде (ток, отнесенный к площади катода) имеет максимальное значение, когда длина полости приблизительно вдвое больше ее диаметра. Это, в общем-то, не такой тривиальный факт. Он может быть полезен при разработке ионных источников.
В процессе работы над первой задачей было замечено множество интересных эффектов. Однажды, намотав на стеклянную трубку, внутри которой происходил разряд, пару витков проволоки, и подключив ее концы к осциллографу, я наблюдал апериодически возникающие затухающие колебания с максимальной амплитудой в 400 (!) вольт.
Пока не перепробовал все имевшиеся в распоряжении осциллографы, я думал, что это какая-то ошибка, но потом пришлось признать, что в разряде действительно происходят (и довольно часто, примерно 20 раз в секунду) какие-то скачки тока. Причем с производной, способной возбудить колебания с начальной амплитудой в сотни вольт в двух витках провода и емкости соединительного кабеля. Посмотрев потом разрядный ток на осциллографе, я действительно обнаружил микросекундное увеличение тока почти в два раза (от 10 до 18 мА). Напряжение при этом тоже скакало, но только более странно: на несколько десятков киловольт, почему-то в отрицательную сторону (то есть, в отличие от тока, оно уменьшалось, меняя знак). Как потом выяснилось, напряжение между электродами было измерено неправильно. Более подробно это будет описано ниже.
Также по всей внутренней поверхности катода наблюдались кратковременные яркие вспышки. Причем они подозрительно хорошо коррелировали с описанными выше скачками тока. Вспышки и скачки никогда не наблюдались порознь. Эти наблюдения оказались очень полезны для качественного понимания явления. Но чтобы более объекивно судить о связи вспышек и скачков тока хотелось бы вывести на двухканальный осциллограф сразу два сигнала: разрядный ток и показания глаза. Но так как сигнал из него вывести из него довольно трудно, да и инертность зрения слишком большая, то для регистрации светового излучения был использован фотодиод. Это и стало темой моей следующей курсовой работы.
Как выяснилось, зарегистрировать хорошо видимые вспышки с помощью фотодиода - не очень простая задача. Здесь основную проблему составили помехи, наводимые в схеме фотодиода. Как было упомянуто выше, резкое изменение тока, сопровождающее скачок, вызывает большие наведенные напряжения в расположенных поблизости индуктивностях. Поэтому, чтобы не мерить вместо фототока наведенные помехи, всю электрическую схему вместе с фотодиодом пришлось поместить в банку из-под сгущенки, оставив только маленькое отверстие, чтобы свет от вспышек мог попадать на фотодиод.
Полученный аппарат я поместил около стеклянной трубки с полым катодом и направил отверстие фотодиода к вспышкам. Довольно быстро удалось зафиксировать скачки тока через фотодиод. Причем по времени они совпадали с изменениями разрядного тока. Для верности я повертел банку с фотодиодом и убедился, что когда отверстие не "смотрит" на разряд, сигнал на осциллографе пропадает. Правда, если закрыть фотодиод листком черной бумаги или деревянной линейкой, то картинка на экране осциллографа совсем не изменится. Но этот настораживающий факт я тогда списал на то, что, мол, основную часть спектра излучения вспышек составляет, наверное, мягкий рентген. А для него дерево прозрачно. Поэтому с чистой совестью я принялся перерисовывать полученную осциллограмму. Однако, расставив направления осей на своем графике, был сильно удивлен: из рисунка следовало, что регистрируемая вспышка выражается не в увеличении светового потока, а, наоборот, в его уменьшении! Еще раз проверив всю схему, я пришел к выводу, что направление осей выбрано правильно и, следовательно, ток через фотодиод действительно уменьшается.
В голове сразу стали просыпаться недостойные мысли о подгоне эксперимента под здравый смысл. Всего-то нужно поменять направление вертикальной оси на графике, а защищать курсовую будет гораздо легче.
Немного поразмыслив, я решил напоследок проверить себя еще раз, а потом уж со спокойной душой подгонять результаты. Я замкнул выводы фотодиода, чтобы быть уверенным в связи своей осциллограммы с оптическим излучением вообще. После чего, проведя заново все измерения, я получил совершенно аналогичный результат, разве что амплитуда сигнала немного уменьшилась.
Теперь стало все ясно. Оказывается, я за показания фотодиода принял наведенные помехи, которые проникали в схему через отверстие. Однако, легче от этого не стало. Совсем непонятно, что же теперь делать?
Выход нашелся очень быстро. На глаза случайно попала металлическая сетка. Я догадался, что можно попробовать окружить всю установку экраном из нее. В действительности достаточным оказалось экранировать только стеклянную трубку с разрядом. Амплитуда скачков тока через фотодиод оказалась на порядок меньше, чем те помехи, которые я сначала принял за полезный сигнал. Со здравым смыслом теперь все согласовывалось, при закрывании фотодиода листком бумаги сигнал исчезал. Конечно, не все оказалось гладко и в этом случае. В связи с малостью полезного сигнала дали о себе знать сетевые помехи, идущие через блок питания. Но это уже не принципиальный вопрос. Главное было достигнуто: связь между вспышками и скачками тока установлена. Остальное можно оставить для потомков, если им будет интересно.
Впоследствии, при обсуждении результатов было дано качественное объяснение полученного эффекта вспышек. Кратко, оно заключается в следующем. На поверхности любого, не обработанного специальным образом металла, всегда есть игольчатые неровности. У острия засчет высокой напряженности электрического поля электронная эмиссия сильно возрастает. Из-за этого металл на острие раскаляется, ток увеличивается еще больше. Такой лавинообразный процесс длится, пока острие не взорвется, образовав плазменное облако. Его излучение и есть те вспышки, которые были зафиксированы.
При оформлении курсовой меня смущала еще одна вещь - слишком большая амплитуда скачков напряжения между электродами. Получалось, что во время вспышки напряжение между электродами, в среднем составляющее около +500 вольт падает до -15000 вольт. Это выглядело довольно подозрительным, но вся электрическая схема была десятки раз проверена и сомнений не вызывала. Ошибка оказалась заложенной в самом принципе измерения напряжения. Это стало понятно уже после оформления курсовой, когда мы с А. С. Золкиным (моим научным руководителем) обратились к В. В. Поступаеву-специалисту в области импульсной плазмы. Пришлось делать дополнение к курсовой, где объяснялась ошибка.
Как измеряют большие напряжения? Обычно делают делитель из двух сопротивлений, одно гораздо больше другого. Предполагая, что ток по ним течет общий, по очень простой формуле считают напряжение на аноде.
UA = U1 + U2 = (R1 + R2) · I = (R1 + R2) · U1 / R1 ≈ R2 · U1 / R1
То есть коэффициент деления напряжения равен отношению сопротивлений.
В действительности любая реальная электрическая схема содержит паразитные емкости и индуктивности, которые заметно проявляются при переменных токах и напряжениях. В делителе токи и их производные маленькие. Поэтому нас будут интересовать только паразитные емкости, индуктивностями пренебрежем.
Допустим, что R2 зашунтирован (рис.3) емкостью в 1 пФ. Паразитные емкости такого порядка неизбежны в соединительных проводах делителя. Оценим сопротивление конденсатора на характерной частоте изменения напряжения, которое в данном случае составляет 1 / 10-5 с, так как длительность скачка тока ≈ 10 мкс.
RC = 1 / ωC ~ 1 / (105 Гц · 10-12 Ф) = 107 Ом = 10 МОм,
то есть в 10 раз меньше R2. Поскольку RC значительно меньше R2, то коэффициент деления уменьшается и прежней формулой, не учитывающей RC, пользоваться нечестно. Чтобы правильно измерить высокое переменное напряжение с помощью делителя, необходимо знать его частотную характеристику.
|