Новое устройство может определять параметры плазмы без искажений

Российские ученые разработали зондовую систему, позволяющую эффективно оценивать параметры плазмы, которая генерируется при протекании электрического тока через газы. Авторы дополнили систему измерения блоком очистки, который позволил избежать образования пленок и углеродных наноструктур на поверхности зонда, искажающих диагностику. Полученные данные потенциально могут использоваться в экспериментах с плазмой и при синтезе углеродных наноструктур. Результаты исследования опубликованы в журнале High Energy Chemistry.

При протекании электрического тока через газы возникает газовый разряд, стимулирующий формирование плазмы. Ее диагностика — это важнейший экспериментальный этап в физике плазмы, позволяющий предсказывать свойства разрабатываемых газоразрядных установок. Физики оценивают параметры плазмы с помощью зонда — небольшого металлического электрода, погруженного в плазму. Измеряя протекающий по нему ток при прикладывании потенциала, ученые получают «зондовую характеристику», которая дает информацию о параметрах плазмы. На данный момент существуют коммерческие зарубежные зондовые системы, однако они чувствительны к шумам, требуют специальных фильтров и усилителей, а также чрезвычайно дорогие.

Ученые из Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева — КАИ разработали зондовую систему, позволяющую эффективно регистрировать свойства плазмы. Авторы собрали систему на основе аналого-цифрового преобразователя, способного непрерывно трансформировать входной сигнал от зонда в цифровой. Разработанная система дополнительно использовала численное дифференцирование или метод модуляции.

Ученые провели экспериментальные исследования в газоразрядной трубке с полыми электродами, в которую помещался подвижный зонд. Зонд изготовили из иридиевой проволоки, проведенной в стеклянный держатель. Исследователи предварительно выкачали воздух из газоразрядной трубки, а затем вводили в нее смесь гелия (He) и метана (CH4). Такая газовая смесь часто используется при синтезе углеродных наноструктур. В трубке с помощью источника постоянного тока авторы генерировали короткий тлеющий разряд. В результате большую часть трубки занимала плазма. С помощью зондовой системы исследователи получили вольт-амперные характеристики зонда, а также их вторые производные по прикладываемому потенциалу. Форма графика второй производной отличалась от эталонной, что указывало на осаждение углеродных наноструктур и образование пленки на поверхности зонда.

Для очистки поверхности зонда авторы использовали метод ионной бомбардировки, при котором на зонд подавали импульс отрицательного напряжения. Очистка поверхности зонда позволила улучшить сигнал и получить достоверный график второй производной. Таким образом ученым удалось разработать систему, эффективно оценивающую основные параметры плазмы. Она может использоваться при анализе состава газовых смесей и диагностике плазмы, с помощью которой синтезируют наноструктуры, применяющиеся в электронике, медицине и фармацевтике.

«На следующем этапе мы предполагаем доработать нашу зондовую систему дополнительными модулями, включающими не только очистку ионным, но и электронным током, а также доработать управляющую программу. Мы считаем, что наша зондовая система ничуть не уступает по своим характеристикам современным зарубежным аналогам, а по некоторым и превосходит их», — рассказывает Алмаз Сайфутдинов, доктор физико-математических наук, доцент Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».