Mikrovlnná interferometrie

V této úloze budeme studovat plazma pomocí mikrovlnní interferometrie. Je obecně známo, že k popisu chování plazmatu lze přistupovat kvalitativně různými způsoby (vodič, dielektrikum, magnetická kapalina…) přičemž vhodnost jednotlivých přístupů záleží na typu interakce kterou chceme popsat a vstupních parametrech plazmatu (např. tlak nebo termodynamická rovnováha). V případě interakce elektromagnetického záření s plazmatem se v oblasti nízkých frekvencí popisuje plazma jako vodič pomocí “nízkofrekvenční vodivosti” zatímco při vysokých frekvencích je vhodné použít dielektrický model plazmatu a definovat “vysokofrekvenční permitivitu”. Hranicí mezi nízkými a vysokými frekvencemi je plazmová frekvence, tedy frekvence od které se vlny mohou plazmatem šířit. Protože interferometrie je založena na průchodu vln prostředím, je nutné použít dostatečně vysoké frekvence, aby se mohly vlny v plazmatu šířit. Na základě zmeny fáze je možno dopočítat hustotu plazmatu. 

Experimentální uspořádání

Pomocí vysokonapěťového zdroje budíme výboj v zářivce o průměru 18 mm. Jde o doutnavý výboj v argonu a parách rtuti za sníženého tlaku (typická hodnota tlaku v zářivce se pohybuje kolem 400 Pa), u kterého nebývá hustota elektronů tak vysoká jako u atmosferického plazmatu.

Klasické uspořádání interferometrického experimentu (např. dle Mach-Zehndera) předpokládá rozdělení signálu ze zdroje do dvou tras (větví) – referenční a měřící. Ty jsou nakonec svedeny dohromady, prošlé signály spolu interferují a výsledný signál detekujeme. Protože v praxi nelze zaručit, že při změně podmínek v měřící větvi nedojde kromě změny fáze také ke změně amplitudy signálu, není jeden detektor dostačující a používá se metoda kvadraturní detekce se dvěma detektory. Naměřená data je možné snadno převést na informace o fází a amplitudě signálů.

U této úlohy ale vypadá měřící aparatura poněkud odlišně (vid. obr.) – využíváme totiž Vector Network Analyzer (VNA) od firmy mRS. Zjednodušeně řečeno jde o interferometr, u kterého je referenční větev integrována v těle přístroje a na porty se připojuje pouze měřící větev experimentu. Jeden port je nastaven jako zdroj výstupního signálu s definovanou amplitudou a prošlý signál vstupuje do druhého portu. 

    
 

Hlavním cílem praktika je v první řadě určení koncentrace elektronů a srážkové frekvence ve výboji, nicméně úspěšné měření zejména druhého z těchto parametrů může být problematické, a proto je potřeba udělat několik opatření. Už samotná volba měřící frekvence je je klíčová - musí být dostatečně vysoká, aby prošla vlnovodem, ale na druhou stranu se s rostoucí frekvencí vln blíží relativní permitivita jedničce a citlivost metody klesá (menší fázové posuvy). Typicky tak volíme frekvence doporučené pro dané vlnovodové pásmo.

   Úkoly

• 1. Sestavte interferometrický experiment pomocí network analyzeru. Pokud je to nutné proveďte kalibraci.
• 2. Pro vhodnou měřící frekvenci naměřte posuny ve fázi a amplitudě v přítomnosti plazmatu. 
• 3. Stanovte hustotu elektronů a srážkovou frekvenci (pomocí geometrické úvahy, příčný rozměr vlnovodu WR340 je 86\,mm, průměr zářivky 18\,mm a úhel mezi zářivkou a vlnovodem je $35^\circ$) a porovnejte s výsledky numerického modelu.
• 4. Naměřte závislost parametrů plazmatu na výbojovém proudu.
• 5*. Proveďte měření na další(ch) frekvenc(i/ích).

Kompletní návod ke stažení