Recommended
More Related Content
What's hot
What's hot (20)
Similar to Bài Giảng Các Phương Pháp Chẩn Đoán Plasma
Similar to Bài Giảng Các Phương Pháp Chẩn Đoán Plasma (20)
More from nataliej4
More from nataliej4 (20)
Recently uploaded
Recently uploaded (20)
Bài Giảng Các Phương Pháp Chẩn Đoán Plasma
- 1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NHIÊN KHOA VẬT LÝ KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG HVTH: HVTH: Nguyễn Đăng Khoa Nguyễn Đăng Khoa Lê Thị Lụa Lê Thị Lụa Lý Ngọc Thủy Tiên Lý Ngọc Thủy Tiên Trần Thị Mỹ Hạnh Trần Thị Mỹ Hạnh Nguyễn Thanh Tú Nguyễn Thanh Tú GVHD GVHD: : PGS. TS. Lê Văn Hiếu PGS. TS. Lê Văn Hiếu
- 2. Địa chỉ bạn đã tải: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/semin Địa chỉ bạn đã tải: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/semin Nơi bạn có thể thảo luận: http://myyagy.com/mientay/ 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 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 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 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 Tonks 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 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA
- 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. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA
- 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. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA
- 8. KHÁI NIỆM PLASMA Theo định nghĩa của Langmuir, plasma là “một tập hợp” các hạt mang điện và các hạt trung hòa phải thỏa mãn: 1. Điều kiện gần trung hòa: 2. Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ hơn kích thước của miền chứa tập hợp đó: , , 0 e i e i Z n ≈ ∑ D r L =
- 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. Chẩn đoán Chẩn đoán Thông số plasma 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 …. .. Các phương pháp chẩn đoán Các phương pháp chẩn đoán
- 14. Đầu dò từ Tán xạ Thomson Đầu dò Langmuir Phân tích quang phổ phát xạ Giao thoa kế Microwaves Phân tích năng lượng ion Quay phim tốc độ cao Sóng vô tuyến Plasma Các phương pháp chẩn đoán Các phương pháp chẩn đoán
- 15. plasma Voltage Generator V I wire insulator Đầu dò tĩnh điện Langmuir
- 16. 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. Lớp điện môi Lớp điện môi Thép không gỉ Thép không gỉ Cấu tạo đầu dò Langmuir Cấu tạo đầu dò Langmuir Sợi dây kim loại Sợi dây kim loại mảnh làm bằng mảnh làm bằng Tungsten hay Modylen, Tungsten hay Modylen,
- 17. Điều chỉnh biến trở Điều chỉnh biến trở → U → Uanode-đầu dò anode-đầu dò thay đổi thay đổi → I → Iđầu dò đầu dò thay đổi thay đổi Ampe kế và Vôn kế xác Ampe kế và Vôn kế xác định sự phụ thuộc của I định sự phụ thuộc của Iđầu dò đầu dò vào U vào Uanode-đầu dò anode-đầu dò → Các đặc trưng của plasma → Các đặc trưng của plasma (n (ne e, T , Te e) ) Sơ đồ mắc mạch
- 18. Sự hình thành thế nổi và thế plasma • Khi đưa đầu dò vào trong plasma, xung quanh đầu dò hình thành màn chắn tĩnh điện, xung quanh đầu dò hình thành một điện trường • Điện trường này ngăn các electron đi đến gần đầu dò • Sau một thời gian sẽ xảy ra sự cân bằng, thế khi cân bằng gọi là thế nổi: Vf • Lúc này trong plasma cũng cân bằng và có thế gọi là thế plasma: Vp
- 19. Tiến hành thay đổi thế đầu dò • Khi thế đầu dò V> Vp: các ion dương đến đầu dò sẽ bị đẩy trở lại môi trường plasma đồng thời các electron bị hút vào đầu dò, • Khi thế đầu dò V< Vp: thì ngược lại, các ion dương bị hút vào đầu dò trong khi đó các electron bị đẩy ra xa đầu dò. • Khi thế đầu dò V = Vf khi dòng tổng cộng qua đầu dò bằng không t • Vậy dòng qua đầu dò có thể là dòng âm hoặc dòng dương là tùy thuộc vào hiệu thế plasma Vp với đầu dò V,
- 20. Mật độ dòng electron đến đầu dò ( ) 1 2 0 exp 2 p e e e e e V V m J n e kT kT π − = − ÷ 0 1 2 e i i kT J en M = Mật độ dòng ion đến đầu dò cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được: cường độ dòng tổng cộng mà đầu dò thu được: e i I AJ AJ = −
- 21. Cường độ dòng điện qua đầu dò Cường độ dòng điện qua đầu dò Trong đó: Trong đó: A là tiết diện của đầu dò A là tiết diện của đầu dò M Mi i: khối lượng ion trong plasma : khối lượng ion trong plasma m me: e: khối lượng electron khối lượng electron n no: o: nồng độ electron hay ion nồng độ electron hay ion ( ) 1 2 0 2 1 1 exp 2 p i B e e e V V M I A en v m kT π − ÷ = − + ÷ ÷
- 22. Đường đặc trưng Volt - Ampere Đường đặc trưng Volt - Ampere Miền A: Miền A: Khi thế đầu dò lớn hơn thế plasma V> Khi thế đầu dò lớn hơn thế plasma V> Vp Vp: : các ion dương đến đầu dò sẽ bị đẩy trở lại môi trường các ion dương đến đầu dò sẽ bị đẩy trở lại môi trường plasma đồng thời các electron bị hút vào đầu dò, đầu dò plasma đồng thời các electron bị hút vào đầu dò, đầu dò có thể thay thế cho anode hút các dòng điện tích. có thể thay thế cho anode hút các dòng điện tích.
- 23. Đường đặc trưng Volt - Ampere Đường đặc trưng Volt - Ampere ( ) 1 1 2 2 0 0 8 1 . exp 2 4 p P e e i e e e e e e V V m kT I I A J An e eA n kT kT m π π − << = = − = ÷ ÷ Miền B: Khi thế đầu dò V = Vp, lúc này không tồn tại màn chắn điện bao quanh đầu dò. Bề mặt đầu dò thu nhận dòng ion và electron va chạm vào nó, nhưng dòng electron lớn hơn rất nhiều dòng ion nên nó xấp xỉ bằng: 1 2 0 8 1 4 e p e e kT I I eA n m π ≈ = ÷
- 24. Miền C: V < V Miền C: V < Vp p, đầu dò , đầu dò bắt đầu đẩy các e và hút bắt đầu đẩy các e và hút các ion dương về phía đầu các ion dương về phía đầu dò. Chỉ có các e nào có đủ dò. Chỉ có các e nào có đủ động năng mới tới được động năng mới tới được đầu dò. đầu dò. ( ) − = e i p f e m M V V e kT π 2 ln 2 Nhiệt độ e: Điện thế Thế plasma Vp Thế nổi Vf Khi V=Vf ( ) − + − = = e p f e i B kT V V e m M v en A I exp 2 1 2 1 0 2 1 0 π
- 25. Miền D: V < V Miền D: V < Vf f , các ion , các ion dương có chuyển động dương có chuyển động ngẫu nhiên xuyên qua ngẫu nhiên xuyên qua vùng màn chắn tĩnh điện vùng màn chắn tĩnh điện sẽ bị đầu dò thu nhận, sẽ bị đầu dò thu nhận, cùng với nó lớp màn chắn cùng với nó lớp màn chắn bị mỏng đi do thế của đầu bị mỏng đi do thế của đầu dò dò. . Nếu V << V Nếu V << Vp p thì ta phải xét đến sự phát xạ điện tử thứ cấp 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 và các electron thứ cấp này va chạm mạnh với dòng ion tới đầu dò). Dòng ion: đầu dò). Dòng ion: 0 1 2 e i kT I Aen M =
- 26. Xác định các đặc trưng của plasma Xác định các đặc trưng của plasma Nhiệt độ e Nhiệt độ e ( ) − = e i p f e m M V V e kT π 2 ln 2 Nồng độ e hay ion dương Nồng độ e hay ion dương 2 1 0 2 = e e p m kT eAn I π 2 1 0 2 = e e p m kT eA I n π Với Te đã xác định ở trên, ta có thể tính được n0 Cường độ dòng electron bão hòa khi V=VP:
- 27. ĐẦU DÒ PHÁT XẠ (Emissive probe) 1. CẤU TRÚC
- 28. Dựa trên nguyên lí cơ bản là: Nếu thế đầu dò là dương so với thế plasma, các electron phát ra với năng lượng thấp bị hút trở lại đầu dò. Trong trường hợp này dòng đầu dò là không thay đổi bởi sự phát xạ ra các electron. Nếu thế đầu dò là âm so với thế plasma, các electron phát xạ có thể đi vào plasma. ĐẦU DÒ PHÁT XẠ 2. Hoạt động.
- 29. • Nếu đầu dò được nung nóng cho đến khi phát xạ ra electron, dòng đầu dò tổng cộng, là một hàm của điện thế đầu dò, được cho bởi công thức: Dòng phát xạ: ( ) p p i em e I V I I I = + − * 2 exp em em B e I A A T k T ω ω ω φ = − ÷ Với Aem là diện tích phát xạ , A* là hằng số Richardson, Tω là nhiệt độ của đầu dò là công thoát điện tử bề mặt đầu dò. ω φ ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
- 30. ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
- 31. Để đo thế plasma với đầu dò phát xạ người ta dùng 2 phương pháp chính: Phương pháp thế uốn Phương pháp thế nổi Phương pháp đo: ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
- 32. Phương pháp thế uốn: • Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên việc xác định trực tiếp thế plasma từ đường đặc trưng đầu dò phát xạ. Thế mà tại đó xuất hiện điểm uốn trên đường đặc trưng của đầu dò phát xạ tương ứng với thế plasma. ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
- 33. Phương pháp thế nổi • Phương pháp này bao gồm việc đo các thế nổi của đầu dò ở các dòng nhiệt khác nhau. Khi dòng nhiệt tăng lên, thế nổi của đầu dò sẽ dịch chuyển (tăng) cho đến khi nó đạt giá trị bão hòa ứng với thế plasma. ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
- 34. V p r Ip r Id is 3 1 2 V d is 3 0 0 - 6 0 0 V - 3 0 - 3 0 V V V A A P L A S M A Sơ đồ mạch điện đầu dò trong plasma ĐẦU DÒ PHÁT XẠ
- 35. ĐẦU DÒ FARADAY (Faraday probe) Đầu dò Faraday là một dụng cụ để đo mật độ dòng điện Các loại đầu dò:
- 36. Đầu dò có hai bộ phận chính: * Vành góp * Vòng bảo vệ ĐẦU DÒ FARADAY
- 37. Vành góp Làm bằng thép không rỉ Được phun một lớp tungsten để làm giảm sự phát xạ electron thứ cấp từ sự bắn phá ion ĐẦU DÒ FARADAY
- 38. • Vòng bảo vệ Dùng để che chắn vành góp khỏi các ion năng lượng thấp đến từ đường phía bên ngoài vành góp. ĐẦU DÒ FARADAY
- 39. Hoạt động: Khi các ion đập vào bề mặt của vành góp, các electron chứa trong phần kim loại của đầu dò Faraday tuôn ra bề mặt đầu dò để trung hòa các ion tập trung trên bề mặt Các electron di chuyển tạo ra dòng điện đầu dò, dòng này bằng với dòng ion. Mật độ dòng được xác định bởi tỉ số của dòng ion và diện tích của vành góp. J= I/A ĐẦU DÒ FARADAY
- 40. Trong thực nghiệm: Người ta sử dụng vôn kế để đo điện thế đầu dò V, sau đó mật độ dòng sẽ được tính như sau: V j = RA Với : R là điện trở trong mạch A là tiết diện đầu dò ĐẦU DÒ FARADAY
- 41. ĐẦU DÒ FARADAY
- 42. Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của mật độ dòng vào vị trí góc ĐẦU DÒ FARADAY
- 44. 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.
- 45. 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
- 46. 1. Bức xạ gián đoạn: • Các nguyên 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.
- 47. 2. Sự bức xạ tái hợp: • 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. Hình ảnh của phổ mặt trời
- 48. 2. Sự bức xạ tái hợp: • Sự tái hợp là quá trình nghịch của quá trình ion hoá.
- 49. 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
- 50. III. Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật độ hạt trong plasma: • Trong plasma, nguyên tử (A o ) của một nguyên tố được kích thích từ trạng thái năng lượng thấp E o , lên trạng thái năng lượng cao A m được biểu diễn theo phương trình: A o + 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 + A o (b)
- 51. III. Mối quan hệ giữa cường độ, nhiệt độ, mật độ hạt trong plasma: • Nếu gọi N m là số nguyên tử của nguyên tử A o đã bị kích thích đến trạng thái năng lượng cao A m , thì theo quy luật Bolzamann ta có: N m = N a (g m / g 0 ) . exp ( -ΔE mo /k T)
- 52. 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: - Số nguyên tử Ao đã bị kích thích lên trạng thái A*, (N m ). - Thời gian tồn tại của nguyên tử A* ở trạng thái kích thích, (t m ). - Năng lượng kích thích nguyên tử A từ trạng thái cơ bản đến trạng thái kích thích, (E m = hν). - Xác suất chuyển mức của nguyên tử A từ trạng thái kích thích năng lượng Am về trạng thái ban đầu năng lượng E o , (A mo ). I a = f. (1/t m ). A mo .E m . N m ↔ I a = f. (l/t m ) . A m0 .N a (g m / g 0 ). hν. exp ( -ΔEmo/k T)
- 53. 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. I a chỉ phụ thuộc vào N a I a =k N a Với: k = f. (l/t m ) . A m0 (g m / g 0 ) hν. exp ( -ΔE mo /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).
- 54. Khảo sát nhiệt độ vật đen: •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. - 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.
- 55. 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 E λ . • Đường cong biễu diễn sự biến thiên của E λ theo bước sóng λ được gọi là đường đặc trưng phổ phát xạ của vật.
- 56. 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.
- 57. Bằng cách thay đổi nhiệt độ cuả vật đen, ta vẽ được nhiều đặc trưng ứng với nhiều nhiệt độ khác nhau Nhận xét: • +Nhận xét đường đặc trưng trên, ta thấy E λ cực đại ứng với một độ dài sóng λ m • + 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 λ m càng tiến về phía độ dài sóng ngắn.
- 58. 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 R vđ tuân theo định luật Bolzamann: R vđ = T4 • Với các vật thực (không đen) thì năng suất phát xạ toàn phần R < R vđ Vậy: R < T4 Tải bản FULL (110 trang): https://bit.ly/2TQsy4z Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net
- 59. - 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 Nhiệt độ bức xạ của vật thực: Tải bản FULL (110 trang): https://bit.ly/2TQsy4z Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net
- 60. 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…. 4231419