ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA Dr. Donkó Zoltán MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet Komplex Folyadékok Osztály MTA Csillebérc / KFKI donko.zoltan@wigner.mta.hu zoltan.donko@gmail.com (8)
A plazma-diagnosztika alapjai Diagnosztika (cél: információt szerezni a plazma egyes jellemzőiről, pl. összetétel, hőmérséklet, sűrűség,...) Elektromos szondák Plazma-spektroszkópia Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 2
Langmuir-szondák φ K Szonda áramkör sémája φ L I L Plazma Szonda A φ L U T V Gömb Henger Sík R az egyik legrégebben és leggyakrabban alkalmazott plazma-diagnosztikai eljárás (1920- as évektől) kisméretű szonda segítségével egyes plazmaparaméterek meghatározhatók (becsülhetők) elektronsűrűség elektron-hőmérséklet elektronenergia-eloszlás módszer: szonda-karakterisztika mérése (= a szondára kapcsolt feszültség függvényében mérjük annak áramát) típusok: egyes / dupla szondák, emisszív szondák, stb. térbeli / időbeli felbontás RF üzemmód a szondát általában körülveszi egy határréteg, ezért részletesen megnézzük, hogy mi történik egy, a plazmába helyezett tárgy (elektróda) környékén Szonda-karakterisztikát mindenki tud mérni Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 3 2016
0 DC határréteg Határréteg modellje stacionárius esetre, ütközésmentes közelítésben Feltételezések: plazmapotenciál n n s x φ φ p s határréteg n i n e átmeneti réteg n e = n i plazma n e = n i = n 0 elektronok Maxwell-Boltzmann eloszlásúak, Te hideg ionok Az x = 0 helyen az ionok us sebességgel áramlanak a határrétegbe. Az ionsűrűség meghatározható a potenciáleloszlás ismeretében: 1 2 m iu 2 i = 1 2 m iu 2 s e (x) Folytonossági egyenlet: n i u i = n s u s x φ(x =0) = 0 falpotenciál φ w n i (x) =n s 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 4
0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n i (x) =n s 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 Maxell-Boltzmann eloszlású elektronok: n határréteg átmeneti réteg plazma n e (x) =n s exp e (x) k B T e n s n i n e = n i n e = n i = n 0 Poisson-egyenlet: plazmapotenciál x φ φ p s n e e n s 0 d 2 dx 2 = e [n i (x) n e (x)] = 0 exp e (x) k B T e 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 x φ(x =0) = 0 falpotenciál φ w Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 5
DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben Poisson egyenlet: d 2 dx 2 = e n s 0 exp e (x) k B T e 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 Szorozzuk be mindkét oldalt d dx -szel és integráljuk x szerint! 1 2 d dx 2 = n s 0 (e ) 2 (e ) 2 2k B T e 2m i u 2 s Böhm-kritérium és Böhm-sebesség megoldhatósága megköveteli az alábbi egyenlőtlenséget (e ) 2 (e ) 2 2k B T e 2m i u 2 s > 0 m i u 2 s >k B T e u s >u B = k BT e m i A Böhm-sebességet az ionok az átmeneti tartományban ( presheath ) veszik fel, emiatt ezen a tartományon egy adott feszültségesés kell, hogy legyen: 1 2 m iu 2 B = e p p = m iu 2 B 2e Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 6
0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n határréteg átmeneti réteg plazma 1 2 m iu 2 B = e p p = m iu 2 B 2e u B = k BT e m i n s n i n e = n i n e = n i = n 0 n e plazmapotenciál x φ φ p s n s = n 0 exp e p k B T e = n 0 e 1/2 = 0.61n 0 falpotenciál x φ w φ(x =0) = 0 Következő feladat: lebegő fal potenciáljának kiszámítása Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 7
0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n határréteg átmeneti réteg plazma Falpotenciál kiszámítása Elektron- és ionfluxusok egyenlőek. Elektronfluxus: n s x s n i n e n e = n i n e = n i = n 0 e(x) = n e(x) v 4 Maxwell-Boltzmann: v = 8k B T e / m e (lásd jegyzet) plazmapotenciál φ φ p e = 1 4 n s 8k B T e m e exp e w k B T e x φ(x =0) = 0 Ionfluxus: i = n s u B falpotenciál φ w A lebegő fal potenciálja negatív és tipikusan k B T e e néhányszorosa w = k BT e e ln m i 2 m e Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 8
0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n határréteg átmeneti réteg plazma Szonda n s n i n e = n i n e = n i = n 0 L Szonda esetében: n e x s plazmapotenciál falpotenciál x φ φ p φ w φ(x =0) = 0 L = L = p w főleg elektronáram a nagyobb sebesség miatt lebegő potenciál: egyenlő elektronés ionfluxus Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 9
Langmuir-szondák SZONDA-KARAKTERISZTIKA φ K Plazma Szonda gömb elektronáram henger φ L I L A V I L sík φ L R φ L U T ionáram φ p I L = I L,sat Gömb Henger Sík A lebegő potenciál helye: a szondaáram zérus értékénél φ f I L = 0 A plazmapotenciál helye: inflexiós pont (a szondaáram második deriváltja zérus) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 10
Langmuir-szondák Sík felületű szonda, ütközésmentes határréteggel, Maxwell-eloszlású elektronok e = 1 4 n 0 v e exp e( L p) k B T e = 1 4 n 0 8k B T e m e exp e( L p) k B T e I e ( L )= ean 0 4 8k B T e m e exp e( L p) k B T e = I e,sat exp e( L p) k B T e I L gömb elektronáram henger ln I e I e,sat = e( L p) k B T e sík 1) Az elektron-hőmérséklet meghatározható a meredekség reciprokából φ p φ L 2) A telítési elektronáram ismeretében a sűrűség is meghatározható ionáram φ f I L = I L,sat I L = 0 Probléma: A telítési elektronáram mérésének bizonytalansága Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 11
Langmuir-szondák I 2 módszer Az elektronsűrűség meghatározására a pontos elektron-hőmérséklet érték ismerete nélkül I L gömb elektronáram henger sík I e ( L )= ean 0 4 I 2 e ( L )= ean 0 4 8k B T e m e exp e( L p) k B T e 2 8k B T e m e exp e( L p) k B T e 2 ionáram φ p I L = I L,sat φ L I 2 e ( L ) = ean 0 4 2 8k B T e m e 1+2 e( L p) k B T e φ f I L = 0 I 2 e ( L )= (ea)2 m e n 2 0 1 2 k BT e e p + e L állandó I 2 e ( L ) függvény meredeksége az elektronsűrűség négyzetével arányos Španěl P.: Int J. Mass Spectrom and Ion Proces., 149/150, 299, 1995 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 12
Langmuir-szondák Sík felületű szonda, ütközésmentes határréteggel, nem-maxwell-boltzmann eloszlású elektronok Cél: elektronok energia-eloszlásának meghatározása f e (v) v θ min φ L < φ p ( retardáló tartomány) gömb elektronáram henger x I L φ p sík φ L A felületet azok az elektronok tudják elérni, amelyeknek az x irányú sebessége egy minimális értéket meghalad: 1 2 m evmin 2 = e( p L ) v min = 2e( p L) m e ionáram I L = I L,sat I e = ea v x f e (v)dv x dv y dv z = φ f I L = 0 v x =v min v y = v z = min 2 ea v 3 f e (v) sin cos d d dv v=v min =0 =0 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 13
Langmuir-szondák I e = ea 2 3/2 m 1/2 e eu g e ( ) 1 eu d = m e v 2 /2 ahol U = p L di e du = ea 2 3/2 m 1/2 e eu U g e( ) 1 eu d = e 2 A 2 3/2 m 1/2 e eu g e ( ) d d 2 I e du 2 = e2 A 2 3/2 m 1/2 e g e ( ) =eu g e ( )= g e( ) 2 3/2 m 1/2 e = e 2 A d 2 I e du 2 Az energiaeloszlás függvény a szondaáram második deriváltjával arányos Felhasználtuk, hogy a határréteg ütközésmentes alacsony nyomás mellett működik! Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 14
Langmuir szondák Példa: Áram második deriváltja (egyenes: Maxwell, Te) =0 : plazmapotenciál I 2 módszer: elektronsűrűség mérésére, nagyobb nyomások mellett is működik Szondaáram zéró: lebegő potenciál Szonda feszültség Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 15
Langmuir szondák Felbontás: Tisztaság: Térbeli: Debye-hossz Szennyeződések a szonda felületén D = 0kT n 0 e 2 1/2 Szennyezheti a plazmát Elektronemissziót indukálhat Időbeli: a határréteg kialakulásának időskálája Torzítja a szonda-karakterisztikát pi = n ie 2 0m i Tisztítás elektronárammal Tisztítás ionbombázással Tipikus tisztítófeszültség 0..100 V, áram 1...2 ma Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 16
Langmuir szondák Mérőáramkör: φ v Szonda A1 + I L φ K Plazma - A2 A4 Szonda φ L I L A φ L V R + - A3 A5 φ L U T Köszönet: Dr Ihor Korolov Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 17
A plazma-diagnosztika alapjai Diagnosztika (cél: információt szerezni a plazma egyes jellemzőiről, pl. összetétel, hőmérséklet, sűrűség,...) Elektromos szondák Plazma-spektroszkópia Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 18
Optikai spektroszkópia - történelem Spektroszkópia: az elektromágneses sugárzás vizsgálata. A sugárzás spektrális összetétele fontos információt hordoz a sugárzást keltő, vagy azzal kölcsönható anyagokról, ezek atomjainak, illetve molekuláinak szerkezetéről és azok környezetéről, picture by J.A. Houston http://www.artyfactory.com/color_theory/color_theory_1.htm wikipedia.org Sir Isaac Newton was one of the first scientists to investigate color theory. Around 1671-72 he discovered the origin of color when he shone a beam of light through an angular prism and split it into the spectrum - the various colors of the rainbow. Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 19
A spektrumok eredete: atomspektrumok Empírikusan észlelt szabályosság (~XIX. sz. vége): 1 1 = R H 2 2 n 2 n =3, 4, 5,... Balmer-sorozat Általánosan: 1 1 = R H k 2 n 2 Bohr-elmélet: Posztulátumok: (impulzusmomentum) h = E 1 E 2 (energia) A hidrogénatom RH : Rydberg-állandó Lyman-, Balmer-, Paschen-, sorozatok m e r n v n = n~, n =1, 2, 3,... = E n hc E k E n = m evn 2 2 = m ee 4 1 1 8h 3 2 0 c k 2 n 2 https://en.wikipedia.org/wiki/hydrogen_spectral_series#/media/file:hydrogen_transitions.svg e 2 = m ee 4 4 0 r n 8h 2 2 0 1 n 2 1 1 = R k 2 n 2, R = m ee 4 8h 3 2 0 c Bohr elmélete sikeresen tudta magyarázni a hidrogén atom színképében észlelt szerkezetet Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 20
A spektrumok eredete: atomspektrumok A hidrogénatom Bohr-elmélet: Nehezebb elemek hidrogénszerű ionjainak spektruma a Rydberg-állandó korrekcióra szorul, az atommag mozgása miatt További siker: a deutérium létezésére a vonalak eltolódásából következtettek További elméletek (pl. Sommerfeld, ) EGZAKT LEÍRÁS : KVANTUMMECHANIKA SCHRÖDINGER-EGYENLET Energia (sajátérték) Ĥ = E Hamilton-operátor Ĥ = ~ 2 2m e r 2 + V (r) Hullámfüggvény (sajátfüggvény) Potenciális energia Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 21
A spektrumok eredete: atomspektrumok A hidrogénatom Ĥ = E megoldás gömbi koordináta-rendszerben, a változók szétválasztásával (r, #, ') =R(r) (#) (') l 2r na 2r 2r nlm(r, #, ') =A e 0 L 2l+1 n l 1 Pl m (cos #)e im', na 0 na 0 A hullámfüggvényhez nem rendelhető fizikai kép, abszolút értékének négyzete az elektron tartózkodási valószínűségét adja meg n, l, m : kvantumszámok: a Schrödinger-egyenlet megoldása során matematikai okok miatt vezetjük be (nincs fizikai kép)! az n főkvantumszám az elektron energiáját határozza meg: az l mellékkvantumszám a pálya-impulzusmomentum vektor abszolút értékét adja meg: l = p l(l + 1)~ az m mágneses kvantumszám a pálya-impulzusmomentum vektor z irányú (külső tér irányú) vetületének nagyságát határozza meg: l z = m~ E n = m ee 4 8h 2 2 0 1 n 2 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 22
A spektrumok eredete: atomspektrumok A hidrogénatom Az elektronspin Az elektron egy további jellemzője, a spin, ami nem származtatható a Schrödinger-egyenlet megoldásából, magyarázatát a Dirac-egyenlet megoldása adja meg. az elektron feles spinű részecske, azaz fermion, spinje s =1/2 az ehhez rendelhető spin-impulzusmomentum vektor nagysága s = p s(s + 1)~ = ~ p 3/2 ennek a z irányra vett vetülete s z = m s ~, ms a spin kvantumszám vagy mágneses spin kvantumszám, ami két értéket vehet fel: m s =+1/2 ("), 1/2 (#) A spin kvantumszámmal négyre bővül az elektron állapotát leíró kvantumszámok köre n =1, 2, 3,... l =0, 1,...,n 1 m = l,..., l m s = 1/2, +1/2 Pálya- és a spin-impulzusmomentum vektorok összege: j = l + s j = p j(j + 1)~ j: belső kvantumszám Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 23
A spektrumok eredete: atomspektrumok TERMSÉMA A hidrogénatom E s p d f l = 0 l = 1 l = 2 l = 3 A Schrödinger-egyenleten túl 4s 3s 2s 4p 3p 2p 4d 3d 4f A spektroszkópiai termeket n és l jellemzi Az elektron pálya- és spinimpulzusmomentumának kölcsönhatása: E n,j = E 0 n finomszerkezet " 2 1 1 n j +1/2 # 3 4n 2s és 2p állapotok között 4.5 10-5 ev (alapállapottól ~10.2 ev) 1s Az energia (a Schrödinger-egyenlet szerint) csak n függvénye Kiválasztási szabályok (dipól közelítésben): l = ±1, m =0, ±1, j =0, ±1 H Az elektron spin-impulzusmomentumának és az atommag spin-impulzusmomentumának kölcsönhatása hiperfinom szerkezet energiakülönbség ~ 5.9 10-6 ev 21 cm hullámhosszúságú mikrohullámú sugárzás (asztrofizika) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 24
A spektrumok eredete: atomspektrumok Hidrogénatom vs. kvázi-egyelektronos atomok E l = 0 l = 1 l = 2 l = 3 zárt elektronhéj + egy "külső" elektron E l = 0 l = 1 l = 2 l = 3 4s 3s 2s 4p 3p 2p 4d 3d 4f 6s 5s 4s 4p 5p 4d 3d 4f Az energia csak n függvénye 3p 1s H 3s Na A zárt elektronhéjon lévő elektronok a gerjesztett elektron és az atommag közötti kölcsönhatást leárnyékolják, a gerjesztett elektron térbeli tartózkodási valószínűségétől függő módon Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 25
A spektrumok eredete: atomspektrumok Többelektronos atomok: hélium Potenciális energia: V (r 1, r 2 )= e 2 e 2 + 4 " 0 r 1 4 " 0 r 2 e 2 4 " 0 r 1 r 2 Schrödinger-egyenlet nem oldható meg egzakt módon E Szinglet rendszer Triplet rendszer L-S csatolás: 3 1 S 2 1 S 3 1 P 2 1 P 3 1 D 3 3 S 2 3 S 3 3 P 2 3 P 3 3 D ez egyes elektronok pálya-impulzusmomentumai csatolódnak egymáshoz egy teljes L = Σ li pályaimpulzusmomentumot eredményezve, az egyes elektronok spin-impulzusmomentumai csatolódnak egymáshoz egy teljes S = Σ si spinimpulzusmomentumot eredményezve, L és S csatolódik egymáshoz vektoriálisan a teljes J = L + S impulzusmomentumot képezve J = L S,...,L+ S Spektroszkópiai termek Energiaszintek: 1 1 S0 J értékének megfelelően szintekre v. nívókra hasadnak (spin-pálya kölcsönhatás miatt) He elektronok eredő spinimpulzusmomentumának kvantumszáma multiplicitás elektronok eredő pályaimpulzusmomentumának kvantumszáma A szintek 2J+1 degenerált állapotot tartalmaznak, amik mágneses térben felhasadnak Főkvantumszám n 2S+1 L J elektronok eredő belső kvantumszáma Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 26
A spektrumok eredete: atomspektrumok Többelektronos atomok: hélium E Szinglet rendszer Triplet rendszer 3 1 S 3 1 P 3 1 D 3 3 S 3 3 P 3 3 D Hélium gázkisülés spektruma 1.0 2 1 S 2 1 P 2 3 S 2 3 P I (λ) 0.8 0.6 Kiválasztási szabályok 0.4 1 1 S0 Tiltott átmenetek Metastabil szintek He 0.2 0.0 Szinglet / triplet rendszer: Pauli-elv a teljes kétrészecske hullámfüggvény antiszimmetrikus kell, hogy legyen 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ [nm] Ezt vagy a pálya rész (3 megoldás triplet), vagy a spin rész (1 megoldás szinglet) valósíthatja meg (lásd jegyezet!) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 27
A spektrumok eredete: molekulaspektrumok Kétatomos, szimmetrikus molekulák Ĥ = ~ 2 2m e NX i=1 r 2 i ~ 2 2m i 2X r 2 k + k=1 e2 4 0 apple Z 2 N 1 R 1 R 2 + X i=1 NX j=i+1 1 r i r j 2X k=1 NX i=1 1 r i R k A magok, nagy tömegük miatt lényegesen lassabban mozognak az elektronoknál és az elektronok lényegében pillanatszerűen "alkalmazkodnak" a mag éppen aktuális távolságához. Az elektronok hullámfüggvénye ugyan függ a magok mozgásától, de ez a függés alapvetően a magok távolságára korlátozódik, ugyanis a magmozgásból származó kinetikus energia sokkal kisebb az elektronok kinetikus energiájánál. = Ĥel,kin + Ĥmag,kin + Ĥmag,pot + Ĥel el,pot + Ĥel mag,pot Born Oppenheimer-approximáció, vagy adiabatikus közelítés E [rel. egys.] 6 5 4 3 2 1 = Ĥ0 + Ĥmag,kin A Schrödinger-egyenletet a magtávolság fix értékei mellett kell megoldani, a távolság adott tartományára. Kétatomos molekulák: potenciálgörbék. Többatomos molekulák: potenciálfelületek 0 0 1 2 3 4 5 R / R 0 Potenciálgörbe: merev molekula energiája Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 28
A spektrumok eredete: molekulaspektrumok Kétatomos, szimmetrikus molekulák 2.0 1.5 (a) E tot = E + E vib + E rot E [rel. egys.] 1.0 0.5 0.0 v = 3 v = 2 v = 1 v = 0 v = 1 v = 0 (b) J 2.0 Kiválasztási szabályok harmonikus közelítésben v =0, ±1 J ± 1 0 1 2 3 4 r [rel. R / Regys.] 0 Morse-potenciál: E M (R) =D 1 e (R R 0) E vib =(v +1/2)h c v: vibrációs kvantumszám Egyenlő távolságú energiaszintek Nullponti energia E rot = J(J + 1)~2 2M e R E [rel. egys.] J: rotációs kvantumszám 1.5 1.0 0.5 0.0 J J -1 v = 3 v = 2 v = 1 v = 0 J J +1 v = 3 v = 2 v = 1 v = 0 0 1 2 3 r [rel. R / egys.] R 0 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 29
A spektrumok eredete: molekulaspektrumok I (λ) 4 3 2 1 N2 C-B (2,0) N2 C-B (2,1) N2 C-B (1,0) N2 C-B (0,0) N2 C-B (2,3) N2 C-B (1,2) N2 C-B (0,1) N2 C-B (2,4) N2 C-B (1,3) N2 C-B (0,2) N2 + B-X (0,0) N2 + B-X (0,1) Levegőben keltett alacsony nyomású gázkisülés spektruma 0 250 275 300 325 350 375 400 425 450 0.8 1.0 λ [nm] I (λ) 0.8 I (λ) 0.6 0.4 0.2 0.0 0.6 0.4 0.2 0.0 334.0 334.5 335.0 335.5 336.0 336.5 λ [nm] 334.0 334.5 335.0 335.5 336.0 336.5 337.0 λ [nm] A nitrogén molekula C-B átmenetének (0,0) sávja nagy felbotással Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 30
Spektrométerek Prizmás spektrométer az 1800-as évek végéről Prizma Működési elv: Kollimált nyalábok Fénybontó (diszperzív) elemek: Prizma (fénytörés, diszperzió ) Optikai rács (interferencia) Forrás Lencsék Detektálás Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 31
Spektrométerek Avantes fibre optic spectrometer Zeiss PGS-2 f = 2 m http://www.avantes.com f = 7.5 cm Int. [a.u.] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Helium I DC = 5.4 ma p = 11 mbar 300 400 500 600 700 800 [nm] [A] Nitrogén Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 32
Spektrométerek Czerny-Turner elrendezés MONOKROMÁTOR CCD SPEKTROMÉTER http://www.zeiss.de http://kmacever.en.ec21.com Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 33
Emissziós / abszorpciós spektroszkópia Információ: felső nívóról alsó nívóról http://www.scienceinschool.org Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 34
Spektrumvonalak alakja Félértékszélesség Hullámhossz: elemre, molekulára jellemző Intenzitás: sűrűség, hőmérséklet,... Hullámhossz-eltolódás: sugárzók sebessége Vonalalak: hőmérséklet, elektronsűrűség,... Természetes vonalszélesség (az átmenet véges időtartama és az intenzitás exponenciális lecsengése), Lorentz-profil Centrális hullámhossz: 0 = hc E 2 E 1 Ütközési kiszélesedés (gázatomokkal való ütközések következtében), Lorentz-profil 2 Doppler kiszélesedés (a sugárzó atomok mozgása miatt), Gauss-profil 1 Mérés esetén: + a műszer vonalalakja (átviteli függvénye) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 35
Rotációs szerkezet: nitrogén gázkisülés Hőmérsékletmérés a rotációs spektrum segítségével: alapja a rotációs szintek közötti lokális egyensúly (a kis energiatávolság miatt) N J = const. exp BJ (J + 1)hc kt rot Boltzmann-eloszlás: Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 36
Lézerspektroszkópia (a) Abszorpciós spektroszkópia (b) Lézer-indukált fluoreszcencia Lézer Plazma D Lézer Elektródák D 2 2 λ 1 1 λ 1 λ 1 1 3 λ 2 Nagy térbeli feloldás Nagy érzékenység Abszolút számsűrűség meghatározása kalibrációt igényel Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 37
Lézerspektroszkópia Optogalvanikus spektroszkópia alapja: a besugárzás megváltoztatja az atomok/ ionok egyes szintjei közötti átmenetek erősségét, és ezzel perturbálja a plazma elektromos vezetőképességét Optogalvanikus spektroszkópia Lézer λ I(λ) Árammérő Tápegység Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 38
Számonkérés pontjai Elektromos szondák plazma-felület határréteg: Böhm-sebesség, plazmapotenciál, falpotenciál, lebegő potenciál Langmuir-szondák típusai, szonda-karakterisztika elektron-hőmérséklet, elektronsűrűség, elektronenergia-eloszlás mérés elve Plazma-spektroszkópia az atom- és molekulaspektrumok eredete elektronátmenetek, vibrációs és rotációs spektrumok emissziós és abszorpciós spektroszkópia lézeres módszerek (optogalvanikus, abszorpciós, lézer-indukált fluoreszcencia spektroszkópia elve) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 39