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 очистку не только 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 — КАИ.
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
