Measurements of very small plasma concentration by RF resonator with periodic slow wave structure

Abstract

Necessity of contactless measuring small electron concentrations is actual, for example, in cosmic explorations, beam physics, electronics, etc. We found experimentally that the RF resonator with special periodic slow wave structure can measure n~10⁵-10⁸ cm⁻³. The frequency of the resonator main mode is 628 MHz; Q=4500, phase velocity is 4.4·10⁹ cm/sec. To determine the form-factor for this mode, an electron beam was passed through the resonator along its axis in vacuum of order of 10⁻⁶ Torr. The beam parameters were as following: energy 100 eV, current 1-10 mA, diameter 1 cm, that is corresponds to n~10⁷-10⁸ cm⁻³. Measurement accuracy was about of 10 %. After the calibration, this resonator was used successfully for plasma density measurements that created by proton beam with energy 5 MeV at ionization of gases at pressure of 10⁻⁴-10⁻⁵Torr.

Необхідність безконтактних вимірювань малих електронних концентрацій актуально, наприклад, для космічних досліджень, фізики пучків, електроніки і т.д. Для вимірювання малих електронних концентрацій нами запропонований ВЧ резонатор з уповільнюючою структурою, що складається з кільцевих ВЧ електродів, закріплених на зустрічних підвісках. Завдяки такій геометрії істотно збільшується форм-фактор резонатора, тобто коефіцієнт пропорційності між концентрацією і зсувом власної частоти. Проте, у даному випадку форм-фактор не може бути знайдений теоретично. Щоб перебороти цю трудність ми застосували метод калібрування, заснований на тому, що повільний електронний пучок має такі ж ВЧ властивості, як і плазма. Калібрування по електронному пучку була проведена для декількох мод полого резонатора і для основної моди резонатора з періодичною структурою. При цьому вимірювався зсув частоти резонатора в залежності від струму пучка, відкіля визначалися форм-фактори. Точність вимірювань була порядку 10%. Після такого калібрування цей резонатор був з успіхом застосований для вимірювання густини плазми, утворюваної протонним пучком з енергією 5 МеВ при іонізації газів при тиску 10⁻⁴-10⁻⁵ Торр.

Необходимость бесконтактных измерений малых электронных концентраций актуально, например, для космических исследований, физики пучков, электроники и т.д. Для измерения малых электронных концентраций нами предложен ВЧ резонатор с замедляющей структурой, состоящий из кольцевых ВЧ электродов, закрепленных на встречных подвесках. Благодаря такой геометрии существенно увеличивается форм-фактор резонатора, т.е. коэффициент пропорциональности между концентрацией и сдвигом собственной частоты. Однако, в данном случае форм-фактор не может быть найден теоретически. Чтобы преодолеть эту трудность мы применили метод калибровки, основанный на том, что медленный электронный пучок имеет такие же ВЧ свойства, как и плазма. Калибровка по электронному пучку была проведена для нескольких мод полого резонатора и для основной моды резонатора с периодической структурой. При этом измерялся сдвиг частоты резонатора в зависимости от тока пучка, откуда определялись форм-факторы. Точность измерений была порядка 10%. После такой калибровки этот резонатор был успешно применен для измерения плотности плазмы, создаваемой протонным пучком с энергией 5 МэВ при ионизации газов при давлении 10⁻⁴-10⁻⁵ Торр.