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Diagnostics of classical and dusty plasmas w ith collecting and emissive langmuir probes = Diagnosis de plasmas clásicos y granulares mediante sondas colectoras y emisoras de Langmuir

机译：使用收集和发射的朗缪尔探针对经典和多尘血浆进行诊断=使用朗缪尔收集和发射探针对经典和颗粒血浆进行诊断

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摘要

Las sondas eléctricas se emplean habitualmente en la diagnosis de plasmas. La presente tesis aborda la operación de las sondas colectoras y emisoras de Langmuir en plasmas fríos de baja densidad. El estudio se ha centrado en la determinación del potencial de plasma, Vsp, mediante el potencial flotante de una sonda emisora. Esta técnica consiste en la medida del potencial de la sonda correspondiente a la condición de corriente neta igual a cero, el cual se denomina potencial flotante, VF. Este potencial se desplaza hacia el potencial del plasma según aumenta la emisión termoiónica de la sonda, hasta que se satura cerca de Vsp. Los experimentos llevados a cabo en la pluma de plasma de un motor iónico y en un plasma de descarga de glow muestran que la corriente de electrones termoiónicos es mayor que la corriente de electrones recogidos para una sonda polarizada por debajo del potencial del plasma, resultado inconsistente con la teoría tradicionalmente aceptada. Para investigar estos resultados se ha introducido el parámetro R, definido como el cociente entre la corriente de electrones emitidos y recogidos por la sonda. Este parámetro, que está relacionado con la diferencia de potencial VF - Vsp, también es útil para la descripción de los modos de operación de la sonda emisora (débil, fuerte y más allá del fuerte). Los resultados experimentales evidencian que, al contrario de lo que indica la teoría, R es mayor que la unidad. Esta discrepancia se puede solucionar introduciendo una población efectiva de electrones. Con dicha población, el nuevo modelo para la corriente total de la sonda reproduce los datos experimentales. El origen de este grupo electrónico es todavía una cuestión abierta, pero podría estar originada por una nueva estructura de potencial cerca de la sonda cuando ésta trabaja en el régimen de emisión fuerte. Para explicar dicha estructura de potencial, se propone un modelo unidimensional compuesto por un mínimo de potencial cerca de la superficie de la sonda. El análisis numérico indica que este pozo de potencial aparece para muy altas temperaturas de la sonda, reduciendo la cantidad de electrones emitidos que alcanzan el plasma y evitando así cualquier posible perturbación de éste. Los aspectos experimentales involucrados en el método del potencial flotante también se han estudiado, incluyendo cuestiones como las diferentes técnicas de obtención del VF, el cociente señal-ruido, el acoplamiento de la señal de los equipos utilizados para la obtención de las curvas I-V o la evidencia experimental de los diferentes modos de operación de la sonda. Estas evidencias empíricas se encuentran en todos los aspectos de operación de la sonda: la recolección de electrones, el potencial flotante, la precisión en las curvas I-V y la emisión electrónica. Ésta última también se estudia en la tesis, debido a que un fenómeno de super emisión tiene lugar en el régimen de emisión fuerte. En este modo de operación, las medidas experimentales indican que las corrientes termoiónicas de electrones son mayores que aquéllas predichas por la ecuación de Richardson-Dushman clásica. Por último, la diagnosis de plasmas usando sondas eléctrica bajo presencia de granos de polvo (plasmas granulares) en plasmas fríos de baja densidad también se ha estudiado, mediante la aplicación numérica de la técnica del potencial flotante de la sonda emisora en un plasma no convencional. Los resultados apuntan a que el potencial flotante de una sonda emisora se vería afectado por altas densidades de polvo o grandes partículas. ABSTRACT Electric probes are widely employed for plasma diagnostics. This dissertation concerns the operation of collecting and emissive Langmuir probes in low density cold plasmas. The study is focused on the determination of the plasma potential, Vsp, by means of the floating potential of emissive probes. This technique consists of the measurement of the probe potential, corresponding to the zero net probe current, which is the so-called floating potential, VF . This potential displaces towards the plasma potential as the thermionic electron emission increases, until it saturates near Vsp. Experiments carried out in the plasma plume of an ion thruster and in a glow discharge plasma show the thermionic electron current of the emissive Langmuir probe is higher than the collected electron current, for a probe with a bias potential below Vsp, which is inconsistent with the traditional accepted theory. To investigate these results, a parameter R is introduced as the ratio between the emitted and the collected electron current. This parameter, which is related to the difference VF - Vsp, is also useful for the description of the operation modes of the emissive Langmuir probe (weak, strong and beyond strong). The experimental results give an inconsistency of R > 1, which is solved by a modification of the theory for emissive probes, with the introduction of an effective electron population. With this new electron group, the new model for the total probe current agrees with the experimental data. The origin of this electron group remains an open question, but it might be originated by a new potential structure near the emissive probe when it operates in the strong emission regime. A simple one-dimension model composed by a minimum of potential near the probe surface is discussed for strongly emitting emissive probes. The results indicate that this complex potential structure appears for very high probe temperatures and the potential well might reduce the emitted electrons population reaching the plasma bulk. The experimental issues involved in the floating potential method are also studied, as the different obtaining techniques of VF, the signal-to-noise ratio, the signal coupling of the I-V curve measurement system or the experimental evidence of the probe operation modes. These empirical proofs concern all the probe operation aspects: the electron collection, the floating potential, the I-V curve accuracy as well as the electron emission. This last issue is also investigated in this dissertation, because a super emission takes place in the strong emission regime. In this operation mode, the experimental results indicate that the thermionic electron currents might be higher than those predicted by the classical Richardson-Dushman equation. Finally, plasma diagnosis using electric probes in the presence of dust grains (dusty plasmas) in low density cold plasmas is also addressed. The application of the floating potential technique of the emissive probe in a non-conventional complex plasma is numerically investigated, whose results point out the floating potential of the emissive probe might be shifted for high dust density or large dust particles.
机译：电探针通常用于诊断血浆。本文研究了低温低密度等离子体中Langmuir收集极和发射极探针的操作。该研究集中在使用发射极探针的浮动电势确定等离子体电势Vsp上。该技术包括测量与等于零的净电流条件相对应的探针电势，称为浮动电势VF。随着探针的热离子发射增加，该电势向等离子体电势偏移，直到其在Vsp附近饱和。在离子电机的等离子体笔和辉光放电等离子体上进行的实验表明，热离子电子的电流大于极化低于等离子体电势的探针收集的电子电流，这是不一致的结果与传统上接受的理论。为了研究这些结果，引入了参数R，定义为探针发射和收集的电子电流之间的商。与电势差VF-Vsp有关的该参数对于描述发射探针的工作模式（弱，强和超强）也很有用。实验结果表明，与理论相反，R大于1。这种差异可以通过引入有效的电子种群来解决。在这种情况下，用于探头总电流的新模型将再现实验数据。这个电子小组的起源仍然是一个悬而未决的问题，但它可能是由它在强发射体制下工作时探针附近的一个新的潜在结构引起的。为了解释这种电势结构，提出了一个一维模型，该模型由探针表面附近的最小电势组成。数值分析表明，该势阱很好地出现在很高的探针温度下，从而减少了到达等离子体的发射电子的数量，从而避免了对其的任何可能干扰。还研究了浮动电势方法涉及的实验方面，包括诸如获得VF的不同技术，信噪比，用于获得IV曲线的设备的信号耦合或噪声的问题等问题。探针不同操作模式的实验证据。这些经验证据可在探针操作的所有方面找到：电子的收集，浮动电位，IV曲线的精确度和电子发射。论文中还对后者进行了研究，因为强发射体制中会发生超发射现象。在这种操作模式下，实验测量表明，热离子电子电流大于经典Richardson-Dushman方程所预测的电流。最后，还通过将发射探针的浮动探针技术应用于非常规等离子体中的数值应用，研究了在低温低密度等离子体中存在粉尘颗粒（颗粒等离子体）的情况下使用电探针对等离子体的诊断方法。 。结果表明，高密度的灰尘或大颗粒会影响发射探针的浮动电位。摘要电探针广泛用于血浆诊断。本文涉及在低密度冷等离子体中收集和发射朗缪尔探针的操作。该研究着重于通过发射探针的浮动电位确定血浆电位Vsp。该技术包括对应于零净探针电流的探针电势测量，这就是所谓的浮动电势VF。随着热电子发射的增加，该电势向等离子体电势移动，直到其在Vsp附近饱和。在离子推进器的等离子体羽流和辉光放电等离子体中进行的实验表明，对于偏电势低于Vsp的探针，发射型Langmuir探针的热电子电子电流高于收集的电子电流，与传统的接受理论。为了研究这些结果，引入参数R作为发射电流和收集电子电流之间的比率。此参数与VF-Vsp之差有关，对于描述辐射型朗缪尔探头（弱，强和超强）的工作模式也很有用。实验结果给出了R> 1的不一致性，这是通过对发射探针的理论进行修改并引入有效电子种群来解决的。有了这个新的电子团，新的总探头电流模型与实验数据一致。这个电子基团的起源仍然是一个悬而未决的问题，但是当它在强发射状态下工作时，它可能是由发射探针附近的新电势结构引起的。对于强发射探针，讨论了由探针表面附近的最小电位组成的简单一维模型。结果表明，这种复杂的电势结构出现在非常高的探针温度下，并且电势阱可能会减少到达等离子体主体的发射电子种群。还研究了浮动电势方法中涉及的实验问题，作为VF的不同获取技术，信噪比，IV曲线测量系统的信号耦合或探针工作模式的实验证据。这些经验证明涉及探针的所有操作方面：电子收集，浮置电势，IV曲线精度以及电子发射。由于在强排放体系中发生了超排放，因此本文也对此进行了研究。在这种操作模式下，实验结果表明，热电子电流可能高于经典的理查森-杜什曼方程所预测的电流。最后，还解决了在低密度冷等离子体中存在尘粒（尘土等离子体）的情况下使用电探针进行等离子体诊断的问题。数值研究了发射探针的浮动电位技术在非常规复杂等离子体中的应用，结果表明，发射探针的浮动电位可能会因高粉尘密度或大尘埃颗粒而发生偏移。

著录项

  • 作者

    Tierno Gomez Sandra Pilar;

  • 作者单位
  • 年度 2014
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  • 正文语种 eng
  • 中图分类

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