Исследование электрических свойств низкотемпературной плазмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный

технический университет им Ю.А. Гагарина

кафедра: «Электронные приборы и устройства»

Курсовая работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Саратов 2011

Введение

Низкотемпературная плазма реализуется в газоразрядных лазерах, МГД-генераторах, измерительных газоразрядных приборах. Ее электрические свойства - поле пространственного заряда, концентрация заряженных частиц определяют основные свойства и применение соответствующих электронных приборов.

Ионизированный газ, в котором взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц приводит к поддержанию макроскопической нейтральности в объёмах, сравнимых с объёмом газа, называют плазмой.

Основное внимание при выполнении данной курсовой работы уделяется получению аналитических выражений для концентрации и поля пространственного заряда ограниченной плазмы в отсутствие магнитного поля, для простейшей модели плазмы - планарной (плоской), ограниченной диэлектрическими стенками. Такая модель, по сравнению с цилиндрической моделью, в ряде случаев является удачной для проведения численных расчетов и для сравнения с соответствующими процессами, происходящими в полупроводниковых приборах.

Цель и задачи курсовой работы

Задачей выполнения курсовой работы является расчет параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы. Целью работы является получение навыков расчета аналитических выражений для концентрации и поля пространственного ограниченной плазмы в отсутствие магнитного поля и при наличии магнитного поля, для простейшей модели плазмы -планарной (плоской), ограниченной диэлектрическими стенками, использованием знаний, приобретенных на ранних этапах обучения в ВУЗе.

Техническое задание

Тип газа - Ne

Давление р=3 мм.рт.ст.

Плотность тока j=1 мА/см2

Диаметр трубки у0=0,5 см

Ez=10 B/м

Принятые условные обозначения

be, De - коэффициенты подвижности и диффузии электронов;

bp, Dp - коэффициенты подвижности и диффузии положительных ионов;

Zi - параметр объемной ионизации;

Ri - параметр рекомбинации электронов и ионов;

Dam - коэффициент амбиполярной диффузии;

n0- концентрация заряженных частиц в центральной плоскости плазмы;

- радиус Дебая;

еФ, -еФ - потенциальная энергия положительных ионов и электронов;

g(r) - функция, определяемая параметрами плазмы;

Р - измеренное давление газа;

Р0 - приведенное давление газа, Р0=273Р/Т;

Т - абсолютная температура;

B - индукция магнитного поля;

np, ne- концентрация дырок и электронов;

Кл-- заряд электрона;

me=0.9109·10-30 кг-масса электрона;

е0=8,854·10-12Ф/м - диэлектрическая постоянная;

1. Расчет основных параметров плазмы

1.1 Расчет подвижности положительных ионов

Для расчета подвижности положительных ионов необходимо вычислить приведенное давление газа:

плазма магнитный поле низкотемпературный

, где Т=300 К.

мм.рт.ст

Определим скорость дрейфа положительных ионов используя рис.1

В/м•мм.рт.ст.

Следовательно по графику на рис.1 найдем Vp=1.85•102 м/с

Тогда:

м2/В•с

1.2 Расчет подвижности электронов

Расчет ведется аналогично предыдущему пункту:

В/м•мм.рт.ст.

По графику на рис.1 найдем Ve=2•104 м/с

 м2/В•с

1.3 Расчет коэффициента диффузии положительных ионов

, где Тр=300 К

1.4 Расчет коэффициента диффузии электронов

Для нахождения Те воспользуемся графиком на рис.2б

Па

Те=40000 К

2. Определение концентрации заряженных частиц

Выражение для концентрации имеет вид:

,

где n0- концентрация заряженных частиц в центральной плоскости плазмы

Пренебрегая влиянием магнитного поля (В=0) получим:

3. Расчет поперечного электрического поля

Так как расчет ведется без учета влияния магнитного поля, то данная формула примет вид:

Подставляем в эту формулу полученное ранее выражение для концентрации:

Полученную зависимость изобразим на графике:

4. Расчет поперечно-направленной скорости заряженных частиц

Считая В=0 имеем:

Подставляем в эту формулу полученное ранее выражение для концентрации:

5. Определение радиуса Дебая

Радиус Дебая лD характеризует расстояние, на которое внешнее электрическое поле проникает в плазму. На расстоянии y<лD квазинейтральность плазмы нарушается , а при плазма сохраняет свои особенности (nе=nр).

м

6. Определение влияния магнитного поля на электрические свойства плазмы

а) Пренебрегая диффузией заряженных частиц;

График зависимости поперечного электрического поля от В примет вид:

График зависимости поперечно-направленной скорости заряженных частиц от В имеет вид:

б) При учете диффузии заряженных частиц:

Для расчетов примем значения В равным 1•10-4, 2•10-4, 3•10-4 Тл.

Поперечное электрическое поле:

Поперечно-направленная скорость:

Концентрация заряженных частиц:

7. Расчет электрического поля в полупроводнике

Рассмотрим действие электрического и магнитного полей на движение заряженной частицы:

,

Аналогично, для ионов:

Проецируем эти вектора на ось y:

Подставляем в уравнение 1, а в уравнение 2:

Решаем полученную систему уравнений с учетом условий Шоттки:

Получим:

Далее получим выражения для и :

8. Выводы

В данной курсовой работе были получены навыки расчета электрических свойств низкотемпературной газоразрядной плазмы.

При выполнении работы были получены следующие данные:

1. скорость положительных ионов: м/с

2. подвижность положительных ионов:

3. скорость электронов м/с

4. подвижность электронов:

5. температура электронов К

6. коэффициент диффузии электронов м/с

7. коэффициент диффузии положительных ионов м/с

8. коэффициент амбиполярной диффузии м/с

9. радиус Дебая м

Так же были получены аналитические выражения для распределения концентрации заряженных частиц в плазме, выражения для поперечного электрического поля и поперечно направленной скорости частиц при воздействии на плазму магнитного поля и при отсутствии магнитного поля. Эти расчёты в полной мере подтверждают теоретические постулаты о том, что в присутствии магнитного поля увеличивается напряжённость поперечного электрического поля, что можно применять на практике для изготовления различных датчиков, отслеживающих изменение поля.

Рассчитанное значение радиуса Дебая составляет 20 мкм. На расстоянии от стенок менее этого радиуса плазмы не будет, будет наблюдаться двойной электрический слой. На расстоянии от стенок равном радиусу Дебая будут достигаться критические значения напряженности электрического поля и скорости частиц.

Размещено на Allbest.ru