Зонд Ленгмюра

Зонд Ленгмюра — устройство, используемое для диагностики плазмы. Зондовый метод был впервые предложен Ирвингом Ленгмюром в 1923 году. Этот метод основан на измерении плотности тока заряженных частиц на помещенный в плазму электрический проводник в зависимости от его потенциала. Соответствующая кривая называется зондовой вольт-амперной характеристикой. Наибольшее распространение при исследованиях получили цилиндрический, сферический и плоский зонды.

Устройство

Проводящая часть зонда, находящаяся в плазме, может быть выполнена из любого металла. Выбор металла определяется прежде всего свойствами среды, в которую он помещён, и характеристиками изолятора, с которым он имеет механический контакт. Этим металлом может быть, например, молибден, вольфрам, а в случае химически агрессивной среды — золото, платина. Изолирующая часть зонда изготавливается из стекла, кварца или различных типов керамики. Типичным для цилиндрического зонда является диаметр от 10⁻³ до 10⁻¹ см, для сферического 10⁻²-10⁻¹ см, при этом длина той части цилиндрического зонда, которая непосредственно собирает заряженные частицы, составляет 10⁻¹-1 см (указанные размеры зависят от параметров плазмы).

Особенность метода

Зондовый метод является контактным методом диагностики. С этим обстоятельством связано одно из его преимуществ по сравнению, например с СВЧ-методами исследования плазмы, а именно локальность определения параметров плазмы. В то же время контактный характер измерений приводит к возмущению плазмы в некоторой области около зонда. Характерные размеры такой области определяются дебаевским радиусом экранирования и, как правило, оказываются существенно меньше размеров плазменного объёма. Так, при концентрации заряженных частиц 10¹² см⁻³ и температуре электронов 1 эВ дебаевский радиус имеет порядок 10⁻³ см, что, как видно, позволяет проводить зондовые измерения и в плазме малых линейных размеров.

Схема измерительной системы

Измерительная система включает в себя измерительный зонд, опорный электрод – противозонд (в качестве него может выступать анод А или катод К, обычно в качестве опорного используют анод, так как в этом случае требуется источник зондового смещения Б2 на меньшее предельное напряжение) и источник напряжения (Рис. 2). Питание разряда осуществляется источником Б1. Зонду придают различные значения потенциала, относительно опорного электрода. Погруженный в плазму, зонд окружается двойным электрическим слоем (призондовый слой) и, фактически, ВАХ зонда является ВАХ слоя. В случае, когда размеры измерительного зонда много меньше размеров опорного электрода, ВАХ системы определяется слоем у измерительного зонда (система одиночного зонда).

Вольт-амперная характеристика зонда Ленгмюра

<math>U</math> — разность потенциалов между измерительным (З) и опорным (А) зондами

<math>U_{sp}</math> — потенциал плазмы

<math>U_{fl}</math> — плавающий потенциал

<math>U_{3} = U-U_{sp}</math> — потенциал измерительного зонда относительно плазмы.

Участки зондовой характеристики (Рис. 3):

I — <math>U_{3} > 0</math> — электронный ток насыщения

II — <math>U_{3} \le 0 </math> — электронный ток на зонд

III — <math>U_{3} < 0, U_{3} \gg kT_{e}/e </math> — ионный ток насыщения,

где <math>T_e</math> — температура электронов, <math>k</math> — постоянная Больцмана, <math>e</math> — заряд электрона

В случае максвелловского распределения электронов по энергиям в невозмущенной плазме и больцмановского распределения концентрации заряженных частиц в поле слоя пространственного заряда <math>n=n_{0} e^{-eU/kT_{e}}</math> у зонда ток зонда любой формы при отрицательных потенциалах <math>U_{3}</math> определяется соотношением:

<math>i_{3} (U_{3})= \frac{1}{4} en_{e} \bar{v}_{e} S_{3} e^{((eU_{3})/(kT_{e}))}, U_{3}<0</math>

где <math>\bar{v}=\sqrt{8kT_{e}/\pi m}</math> — средняя скорость электронов, <math>n_{e}</math> — концентрация электронов, <math>S_{3}</math> — площадь зонда, <math>T_{e} </math>— температура электронов.

Это соотношение было получено Ирвингом Ленгмюром и Харольдом Мотт-Смитом в 1926 году и явилось основой зондового метода диагностики плазмы. При <math>U_{3} > 0</math> ВАХ зависит от формы зонда. Но, несмотря на кажущуюся простоту, зондовый метод является довольно нетривиальным. Это в первую очередь связано с тем что плазма и зонд должны удовлетворять ряду достаточно жестких требований и только тогда результаты простых электрических измерений могут быть связаны с параметрами плазмы.

Критерии для работы с зондом Ленгмюра

Основные предположения простейшей теории, при выполнении которой можно довольно быстро провести расчет зондовой характеристики, представленные в работах Ленгмюра и Бома, приведены ниже:

• Характерный размер области однородной плазмы много больше длины свободного пробега электрона и иона. Плазма изотропна;
• Средние длины энергетического пробега электронов <math>\lambda_{i}</math> велики по сравнению с радиусом зонда <math>r_{3}</math> и толщиной призондового слоя <math>h</math>;
• Отсутствуют генерация и рекомбинация заряженных частиц в слое около зонда;
• В плазме отсутствует магнитное поле;
• Держатель зонда не влияет на характеристики плазмы и следовательно на измерения;
• Отсутствует отражение электронов от зонда и их вторичная эмиссия, не образуется пленки на поверхности зонда в результате химических реакций (что может повлиять на отражение и вторичную эмиссию электронов с поверхности);
• Отсутствуют колебания потенциала плазмы (относительно потенциала опорного электрода);
• Работа выхода электронов с поверхности зонда одинакова в различных точках;
• Потенциал плазмы постоянен на характерных размерах зонда.

Режимы работы

В зависимости от соотношения характерных размеров зонда <math>r_{3}</math> и характерных масштабов плазмы (длины свободного пробега электронов <math>\lambda_{e}</math> и ионов <math>\lambda_{i}</math>, длины релаксации энергии электронов <math>\lambda_{\varepsilon e}</math> и ионов <math>\lambda_{\varepsilon i}</math>, дебаевского радиуса экранирования <math>\lambda_{d}</math>, толщина слоя пространственного заряда у зонда <math>h</math> ) различают несколько режимов работы зонда.

При этом нужно учитывать, что:

<math>\lambda_{e} \ll \lambda_{\varepsilon e}=\lambda_{\varepsilon}=\delta^{-1/2} \lambda_{e}</math>
где <math>\delta = 10^{-4} -10^{-2}</math> – средняя доля потери энергии электроном в одном столкновении, в то время как для ионов <math>\delta \approx 1, \lambda_{i} \approx \lambda_{\varepsilon i}</math>

• При <math>\lambda_{e}, \lambda_{i} \gg r_{3}+h</math> реализуются условия бесстолкновительного слоя (классический зонд Ленгмюра).
• При <math>\lambda_{e} \ll r_{3}+h \ll \lambda_{\varepsilon}</math> реализуется диффузионный режим для электронов.
• При <math>r_{3}+h \gg \lambda_{\varepsilon},\lambda_{i}</math> реализуется режим сплошной среды.

В первых двух случаях из результатов зондовых измерений можно получить информацию о ФРЭЭ (ФРЭЭ - функция распределения электронов по энергиям, которая в случае Максвелловского распределения характеризуется температурой электронов — T_e) в невозмущенной плазме (хотя соотношения для этого оказываются разными). В третьем случае возможно лишь получение информации о температуре электронов. Таким образом, для корректного анализа результатов зондовых измерений и использования соответствующих теоретических представлений необходимо определить в каком режиме будет работать зонд. Теория, предложенная Ленгмюром предполагает, что <math>\lambda_{d} \ll \lambda_{min}</math>, где <math>\lambda_{min} </math> – минимальная длина энергтического пробега электронов. Тем самым определяется нижняя граница концентрации электронов в плазме:

<math>n_{e}\gg 5 \cdot 10^{5} T_{e} (N\langle\sigma(\varepsilon)\rangle)^{2}</math>

где <math>T_{e}</math> — температура электронов в эВ, <math>n_{e}</math> – концентрация электронов в см⁻³, <math>N</math> – концентрация тяжелых частиц в см⁻³, <math>\langle\sigma(\varepsilon)\rangle</math> – среднее значение сечения столкновений электронов с тяжелыми частицами в см².

Методика измерений

Методика измерений Для использования зондовых характеристик при расчете параметров плазмы необходимо знать потенциал измерительного зонда относительно потенциала плазмы <math>U_{sp}</math> (потенциал пространства). Но из экспериментов нам известен лишь потенциал относительно некоторого опорного электрода <math>U</math> и <math>U_{3} = U - U_{sp}</math>. В соответствии с классическими представлении <math>U_{sp}</math> определяется как потенциал точки перегиба ВАХ зонда. В реальных ВАХ из-за влияния ряда факторов (загрязнение поверхности зонда, сток электронов на зонд, колебания потенциала плазмы) явно выраженный перегиб отсутствует. Для определения <math>U_{sp}</math> используются характерные точки на производных зондового тока по потенциалу зонда. Существует два подхода к определению: <math>U_{sp}</math> соответствует потенциалу зонда, при котором <math>\frac{d^{2} i_{3}}{dU_{3}^{2}}</math> либо максимальна, либо равна 0.

Хотя величиной, представляющей интерес для диагностики плазмы, является потенциал плазмы <math>U_{sp}</math>, легче измерять плавающий потенциал <math>U_{fl}</math>. Плавающий потенциал – это потенциал зонда относительно плазмы, при котором ток на зонд равен нулю. Ясно, что <math>U_{fl}</math> всегда отрицателен. Величина <math>U_{fl}</math> может быть определена при известных зависимостях ионного тока насыщения и электронного тока от потенциала зонда. Так, в предположении максвелловского распределения электронов по энергиям получается следующее выражение для плавающего потенциала:

<math>\frac{eU_{fl}}{kT_{e}}\approx-\ln\left [\frac{e}{\sqrt{4\pi}}\sqrt{\frac{M}{m}} \right ] \approx-\ln \left [ 0{,}77\sqrt{M/m} \right ]</math>, где M – масса основного иона

Для водорода плавающий потенциал:
<math>U_{fl}</math> [B] <math>\approx-3{,}3 kT_{e}</math> [эВ]

Для аргона:
<math>U_{fl}</math> [B] <math>\approx-6{,}3 kT_{e}</math> [эВ]

Если функция распределения электронов в разных точках плазмы одинакова, то распределение <math>U_{flo}</math> определяет распределение потенциала плазмы. При произвольной форме изотропного энергетического распределения электронов (ФРЭЭ) в области отрицательных потенциалов зонда электронный ток на зонд связан с <math>f(\varepsilon)</math> интегральным соотношением:
<math>i_{e}(U_{e})=\frac{2\pi n_{e} eS_{3}}{m^2}\int\limits_{eU_{3}}^{\infty} f(\varepsilon)(\varepsilon-eU_{3} )d\varepsilon</math>, где <math>\varepsilon</math> – энергия электрона, <math>f(\varepsilon)</math> – ФРЭЭ <math>(f(\varepsilon)=n_{e} f_{o} (\varepsilon), \int\limits_{0}^{\infty} f(\varepsilon) \sqrt{\varepsilon} d\varepsilon=1)</math>

Данное выражение справедливо для зондов с выпуклой поверхностью, при отсутствии отражения электронов от зонда и вторичной электронной эмиссии с зонда, отсутствии генерации и рекомбинации носителей зарядов в слое, одинаковой работе выхода электронов с поверхности зонда в различных точках, отсутствии загрязнения поверхности зонда, отсутствии магнитного поля и колебаний потенциала плазмы. При этом также необходимо, чтобы не только зонд, но и его держатель не возмущали плазму. Существенным шагом в развитии зондовой диагностики плазмы было решение Дрювестейном задачи о нахождении ФРЭЭ по второй производной электронного тока на зонд <math>i_{e}(U_{3})</math> по потенциалу зонда <math>U_{3}<0</math>

<math> n_{e}f_{o}(\varepsilon)=2^{3/2} \frac{\sqrt{mU_{3}}}{S_{3} e^{3/2}} \frac{d^{2} i_{e} (U_{3})} {dU_{3}^{2}}</math>

где <math>S_{3}</math> – площадь поверхности зонда. Это выражение справедливо для изотропных ФРЭЭ и не зависит от геометрии зонда, если его поверхность выпуклая. В предположении максвелловской ФРЭЭ по ВАХ может быть определена температура электронов <math>T_{e}</math>:

<math>kT_{e}/e=- \left ( \frac{d(\ln i_{e} )}{(dU_{3} )}\right ) ^{-1}</math>

Концентрация электронов может быть определена по хаотическому току на зонд при потенциале плазмы <math>U_{sp}</math> (электронный ток насыщения):

<math>n_{e}=4i_{e}(U_{sp})/(e\bar{v}S_{3})</math>

Концентрация ионов <math>n_{i}</math> определяется по ВАХ в области ионного тока насыщения. Это одна из наиболее сложных задач зондовой диагностики: необходимо использовать выражение для ионного тока, соответствующего условиям экспериментов (геометрии и размером зонда и соотношению последних λ и λ_D), а также знать ионный состав плазмы.

Для оценок часто используется соотношение:

<math>i_{i}=en_{i} S_{3} \sqrt{\frac{kT_{e}}{2\pi M}} \left ( \frac{eU_{3}}{kT_{e}} \right ) ^{n}</math>

где n определяется экспериментальным путём. Для тонкого зонда и бесстолкновительного слоя (r₃ << λ, λ_D), n = 0,5

Влияние стока электронов на зонд

Так как диффузия электронов из невозмущенной плазмы не успевает компенсировать их потери, связанные с уходом их на зонд, то свойства плазмы в окрестности зонда могут изменятся. Возмущение плазмы вызывает, соответственно, искажение ВАХ зонда тем большее, чем ближе потенциал зонда к потенциалу плазмы и чем больше параметр стока <math>\delta</math>. Параметр стока зависит от геометрии зонда и соотношения характерных размеров зонда и длины свободного пробега электронов. Так например для цилиндрического зонда:

<math>\delta_{cyl} = \frac{3r_{3}}{4\lambda} \ln (l_{3}/2r_{3} )</math>, где <math>l_{3}</math> – длина зонда

Сток электронов приводит к занижению рассчитанной по электронному току ФРЭЭ, и к завышению определенной по ВАХ температуре электронов, к искажению второй производной зондового тока по потенциалу зонда. Влияние стока может быть скорректировано расчетным путём. При <math>\delta \ll 1</math> истинные и искаженные концентрации связаны следующим соотношением:

<math>n_{eo}\approx (1+4\delta/3) n_{e~dist}</math>

для средней энергии электронов:
<math>\bar{\varepsilon}_{o}=\bar{\varepsilon}_{dist} (1-\delta/2)</math>

При <math>\delta \gg 1</math> из зондовой характеристики может быть получена ФРЭЭ, однако она оказывается пропорциональной не второй, а первой производной электронного тока на зонд по потенциалу зонда.

ВЧ-компенсированный зонд

При зондовых измерениях в плазме, создаваемой переменными полями (ВЧ и СВЧ разряды), а также в плазме в присутствии колебаний потенциала плазмы возможно искажение ВАХ зонда. Это связано с тем, что слой пространственного заряда у зонда является нелинейным элементом и при воздействии на него переменного напряжения происходит преобразование частоты и, в частности, в переменном сигнале появляется постоянная составляющая (выпрямление на слое, как нелинейном элементе). Это ведёт к появлению дополнительного (к внешнему напряжению) смещения зонда, причем величина этого смещения зависит от потенциала зонда.
При приложении к призондовому слою напряжения в виде: <math>U_{3} = U_{3o} + u_{o}\cos\omega t </math>
в предположении максвелловского распределения электронов по энергиям величина среднего электронного тока на зонд (искаженная ВАХ в области отталкивающих потенциалов) записывается в виде:
<math>i_{e}^{*}=i_{es} \exp \left ( -\frac{eU_{3o}}{kT_{e}} \right )I_{o}\left ( \frac {eu_{o}(U_{3o})}{kT_{e}} \right ) </math> где <math>i_{es}</math> – электронный ток насыщения, <math>I_{o}\left ( \frac {eu_{o}(U_{3o})}{kT_{e}} \right )</math> – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка, <math>U_{3o}</math> и <math>u_{o}</math> постоянное напряжение и амплитуда переменного напряжения на призондовом слое. Из этого выражения видно, что одинаковые значения электронного тока на зонд на искаженной характеристике (<math>u_{o} \ne 0</math>) достигаются при больших отрицательных значениях внешнего смещения, чем на неискаженной характеристике (<math>u_{o} = 0</math>)
(Рис. 5)

Одним из следствий влияния переменного напряжения на ВАХ является смещение плавающего потенциала зонда в область больших отрицательных потенциалов при увеличении <math>eu_{o}/kT_{e}</math>

<math>\Delta U_{fl}=-\left ( \frac{kT_e}{e} \right ) \ln I_{o} \left ( \frac{eu_{0}}{kT_e} \right )</math>

Это соотношение дает критерий влияния <math>u_{o}</math> на ВАХ. Для получения наиболее точных результатов при проведении эксперимента необходимо добиться минимального значения <math>\Delta U_{fl}</math>. Все методы уменьшения этой погрешности (пассивные и активные) связаны с уменьшением переменного напряжения на призондовом слое. Напряжение на призондовом слое будет складываться из суммы напряжения поданного на зонд и переменного напряжения в призондовом слое: <math>u_{3}= u_{3o}+\tilde{u_{sp}}</math>. Добавка переменного напряжения будет определятся следующим образом <math>\tilde{u_{3}}=\tilde{u_{sp}} \frac {z_{1}} {z_{1}+z_{2}}</math>. Очевидно что минимальное значение <math>\tilde{u_{3}}</math> достигается при <math>z_{1} \rightarrow 0</math> и <math>z_{2}\rightarrow \infty</math> (Рис. 6 (а)). Для этих целей можно использовать каскад резонансных фильтров пробок (Рис. 6 (б)). Фильтрующие элементы должны быть расположены максимально близко к активной области зонда для исключения влияние паразитных ёмкостей. Иначе эти ёмкости могут свести к нулю все усилия по уменьшению влияния <math>\tilde{u_{3}}</math>.

Развитие зондового метода

Развитие зондовых методов происходило по двум основным направлениям:

1. Отказ от упрощенных предположений, изложенных выше и создание зондовых теорий для более сложных случаев.

• Допускается произвольное соотношение между длинами пробега заряженных частиц, радиусом зонда и размером слоя объемного заряда;
• В призондовом слое объемного заряда происходят плазмохимические процессы;
• Ненулевые коэффициенты: отражения от зонда, вторичной эмиссии электронов с поверхности зонда;
• Плазма анизотропна, имеются направленные потоки частиц;
• Плазма нестационарна и находится в магнитном поле.

2. Усовершенствование зондовых измерительных схем

• Системы с временным разрешением
• Создание схем для измерения в условиях плазменных шумов
• Повышение чувствительности схем
• Автоматизация зондовых измерений

В настоящее время зонды используются для изучения разрядов постоянного тока, ВЧ и СВЧ разрядов при давлениях от миллиторр до атмосферного, плазмы в магнитных полях и плазмы с химическими реакциями.

Фотографии вч-компенсированного зонда

• RF Probe.jpg
• RF Probe 2.jpg

Зонд в плазме

• RF Probe 3.jpg
• RF Probe 4.jpg

Ссылки

• [plasma.karelia.ru/pub/fntp/Lebedev.pdf] Ю. А Лебедев. Электрические зонды в плазме пониженного давления. 2002.
• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 3-е изд. переработанное и дополненное. – Долгопрудный: Издательский дом “Интеллект”, 2009.
• Демидов В. И., Колоколов Н. Б., Кудрявцев А. А. [www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_38685#1 Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы]. Энергоатомиздат, 1996.
• Mott-Smith H., Langmuir I. // Phys. Rev. 1926. V. 28. № 5. P. 727.
• Godyak V. A. Measuring EEDF in gas discharge plasmas. GTE Products Corporation. 1990.
• Godyak V. A. and Demidov V. I. // Journal of Physics D: Applied Physics 2011. V. 44. P. 233001.
• Demidov V.I., Ratynskaia S.V., and Rypdal K. // Review of Scientific Instruments 2002. V. 73, № 10. P. 3409.

Отрывок, характеризующий Зонд Ленгмюра

Выслушав приказание, генерал этот прошел мимо Пьера, к сходу с кургана.
– К переправе! – холодно и строго сказал генерал в ответ на вопрос одного из штабных, куда он едет. «И я, и я», – подумал Пьер и пошел по направлению за генералом.
Генерал садился на лошадь, которую подал ему казак. Пьер подошел к своему берейтору, державшему лошадей. Спросив, которая посмирнее, Пьер взлез на лошадь, схватился за гриву, прижал каблуки вывернутых ног к животу лошади и, чувствуя, что очки его спадают и что он не в силах отвести рук от гривы и поводьев, поскакал за генералом, возбуждая улыбки штабных, с кургана смотревших на него.


Генерал, за которым скакал Пьер, спустившись под гору, круто повернул влево, и Пьер, потеряв его из вида, вскакал в ряды пехотных солдат, шедших впереди его. Он пытался выехать из них то вправо, то влево; но везде были солдаты, с одинаково озабоченными лицами, занятыми каким то невидным, но, очевидно, важным делом. Все с одинаково недовольно вопросительным взглядом смотрели на этого толстого человека в белой шляпе, неизвестно для чего топчущего их своею лошадью.
– Чего ездит посерёд батальона! – крикнул на него один. Другой толконул прикладом его лошадь, и Пьер, прижавшись к луке и едва удерживая шарахнувшуюся лошадь, выскакал вперед солдат, где было просторнее.
Впереди его был мост, а у моста, стреляя, стояли другие солдаты. Пьер подъехал к ним. Сам того не зная, Пьер заехал к мосту через Колочу, который был между Горками и Бородиным и который в первом действии сражения (заняв Бородино) атаковали французы. Пьер видел, что впереди его был мост и что с обеих сторон моста и на лугу, в тех рядах лежащего сена, которые он заметил вчера, в дыму что то делали солдаты; но, несмотря на неумолкающую стрельбу, происходившую в этом месте, он никак не думал, что тут то и было поле сражения. Он не слыхал звуков пуль, визжавших со всех сторон, и снарядов, перелетавших через него, не видал неприятеля, бывшего на той стороне реки, и долго не видал убитых и раненых, хотя многие падали недалеко от него. С улыбкой, не сходившей с его лица, он оглядывался вокруг себя.
– Что ездит этот перед линией? – опять крикнул на него кто то.
– Влево, вправо возьми, – кричали ему. Пьер взял вправо и неожиданно съехался с знакомым ему адъютантом генерала Раевского. Адъютант этот сердито взглянул на Пьера, очевидно, сбираясь тоже крикнуть на него, но, узнав его, кивнул ему головой.
– Вы как тут? – проговорил он и поскакал дальше.
Пьер, чувствуя себя не на своем месте и без дела, боясь опять помешать кому нибудь, поскакал за адъютантом.
– Это здесь, что же? Можно мне с вами? – спрашивал он.
– Сейчас, сейчас, – отвечал адъютант и, подскакав к толстому полковнику, стоявшему на лугу, что то передал ему и тогда уже обратился к Пьеру.
– Вы зачем сюда попали, граф? – сказал он ему с улыбкой. – Все любопытствуете?
– Да, да, – сказал Пьер. Но адъютант, повернув лошадь, ехал дальше.
– Здесь то слава богу, – сказал адъютант, – но на левом фланге у Багратиона ужасная жарня идет.
– Неужели? – спросил Пьер. – Это где же?
– Да вот поедемте со мной на курган, от нас видно. А у нас на батарее еще сносно, – сказал адъютант. – Что ж, едете?
– Да, я с вами, – сказал Пьер, глядя вокруг себя и отыскивая глазами своего берейтора. Тут только в первый раз Пьер увидал раненых, бредущих пешком и несомых на носилках. На том самом лужке с пахучими рядами сена, по которому он проезжал вчера, поперек рядов, неловко подвернув голову, неподвижно лежал один солдат с свалившимся кивером. – А этого отчего не подняли? – начал было Пьер; но, увидав строгое лицо адъютанта, оглянувшегося в ту же сторону, он замолчал.
Пьер не нашел своего берейтора и вместе с адъютантом низом поехал по лощине к кургану Раевского. Лошадь Пьера отставала от адъютанта и равномерно встряхивала его.
– Вы, видно, не привыкли верхом ездить, граф? – спросил адъютант.
– Нет, ничего, но что то она прыгает очень, – с недоуменьем сказал Пьер.
– Ээ!.. да она ранена, – сказал адъютант, – правая передняя, выше колена. Пуля, должно быть. Поздравляю, граф, – сказал он, – le bapteme de feu [крещение огнем].
Проехав в дыму по шестому корпусу, позади артиллерии, которая, выдвинутая вперед, стреляла, оглушая своими выстрелами, они приехали к небольшому лесу. В лесу было прохладно, тихо и пахло осенью. Пьер и адъютант слезли с лошадей и пешком вошли на гору.
– Здесь генерал? – спросил адъютант, подходя к кургану.
– Сейчас были, поехали сюда, – указывая вправо, отвечали ему.
Адъютант оглянулся на Пьера, как бы не зная, что ему теперь с ним делать.
– Не беспокойтесь, – сказал Пьер. – Я пойду на курган, можно?
– Да пойдите, оттуда все видно и не так опасно. А я заеду за вами.
Пьер пошел на батарею, и адъютант поехал дальше. Больше они не видались, и уже гораздо после Пьер узнал, что этому адъютанту в этот день оторвало руку.
Курган, на который вошел Пьер, был то знаменитое (потом известное у русских под именем курганной батареи, или батареи Раевского, а у французов под именем la grande redoute, la fatale redoute, la redoute du centre [большого редута, рокового редута, центрального редута] место, вокруг которого положены десятки тысяч людей и которое французы считали важнейшим пунктом позиции.
Редут этот состоял из кургана, на котором с трех сторон были выкопаны канавы. В окопанном канавами место стояли десять стрелявших пушек, высунутых в отверстие валов.
В линию с курганом стояли с обеих сторон пушки, тоже беспрестанно стрелявшие. Немного позади пушек стояли пехотные войска. Входя на этот курган, Пьер никак не думал, что это окопанное небольшими канавами место, на котором стояло и стреляло несколько пушек, было самое важное место в сражении.
Пьеру, напротив, казалось, что это место (именно потому, что он находился на нем) было одно из самых незначительных мест сражения.
Войдя на курган, Пьер сел в конце канавы, окружающей батарею, и с бессознательно радостной улыбкой смотрел на то, что делалось вокруг него. Изредка Пьер все с той же улыбкой вставал и, стараясь не помешать солдатам, заряжавшим и накатывавшим орудия, беспрестанно пробегавшим мимо него с сумками и зарядами, прохаживался по батарее. Пушки с этой батареи беспрестанно одна за другой стреляли, оглушая своими звуками и застилая всю окрестность пороховым дымом.
В противность той жуткости, которая чувствовалась между пехотными солдатами прикрытия, здесь, на батарее, где небольшое количество людей, занятых делом, бело ограничено, отделено от других канавой, – здесь чувствовалось одинаковое и общее всем, как бы семейное оживление.
Появление невоенной фигуры Пьера в белой шляпе сначала неприятно поразило этих людей. Солдаты, проходя мимо его, удивленно и даже испуганно косились на его фигуру. Старший артиллерийский офицер, высокий, с длинными ногами, рябой человек, как будто для того, чтобы посмотреть на действие крайнего орудия, подошел к Пьеру и любопытно посмотрел на него.
Молоденький круглолицый офицерик, еще совершенный ребенок, очевидно, только что выпущенный из корпуса, распоряжаясь весьма старательно порученными ему двумя пушками, строго обратился к Пьеру.
– Господин, позвольте вас попросить с дороги, – сказал он ему, – здесь нельзя.
Солдаты неодобрительно покачивали головами, глядя на Пьера. Но когда все убедились, что этот человек в белой шляпе не только не делал ничего дурного, но или смирно сидел на откосе вала, или с робкой улыбкой, учтиво сторонясь перед солдатами, прохаживался по батарее под выстрелами так же спокойно, как по бульвару, тогда понемногу чувство недоброжелательного недоуменья к нему стало переходить в ласковое и шутливое участие, подобное тому, которое солдаты имеют к своим животным: собакам, петухам, козлам и вообще животным, живущим при воинских командах. Солдаты эти сейчас же мысленно приняли Пьера в свою семью, присвоили себе и дали ему прозвище. «Наш барин» прозвали его и про него ласково смеялись между собой.
Одно ядро взрыло землю в двух шагах от Пьера. Он, обчищая взбрызнутую ядром землю с платья, с улыбкой оглянулся вокруг себя.
– И как это вы не боитесь, барин, право! – обратился к Пьеру краснорожий широкий солдат, оскаливая крепкие белые зубы.
– А ты разве боишься? – спросил Пьер.
– А то как же? – отвечал солдат. – Ведь она не помилует. Она шмякнет, так кишки вон. Нельзя не бояться, – сказал он, смеясь.
Несколько солдат с веселыми и ласковыми лицами остановились подле Пьера. Они как будто не ожидали того, чтобы он говорил, как все, и это открытие обрадовало их.
– Наше дело солдатское. А вот барин, так удивительно. Вот так барин!
– По местам! – крикнул молоденький офицер на собравшихся вокруг Пьера солдат. Молоденький офицер этот, видимо, исполнял свою должность в первый или во второй раз и потому с особенной отчетливостью и форменностью обращался и с солдатами и с начальником.
Перекатная пальба пушек и ружей усиливалась по всему полю, в особенности влево, там, где были флеши Багратиона, но из за дыма выстрелов с того места, где был Пьер, нельзя было почти ничего видеть. Притом, наблюдения за тем, как бы семейным (отделенным от всех других) кружком людей, находившихся на батарее, поглощали все внимание Пьера. Первое его бессознательно радостное возбуждение, произведенное видом и звуками поля сражения, заменилось теперь, в особенности после вида этого одиноко лежащего солдата на лугу, другим чувством. Сидя теперь на откосе канавы, он наблюдал окружавшие его лица.
К десяти часам уже человек двадцать унесли с батареи; два орудия были разбиты, чаще и чаще на батарею попадали снаряды и залетали, жужжа и свистя, дальние пули. Но люди, бывшие на батарее, как будто не замечали этого; со всех сторон слышался веселый говор и шутки.
– Чиненка! – кричал солдат на приближающуюся, летевшую со свистом гранату. – Не сюда! К пехотным! – с хохотом прибавлял другой, заметив, что граната перелетела и попала в ряды прикрытия.
– Что, знакомая? – смеялся другой солдат на присевшего мужика под пролетевшим ядром.
Несколько солдат собрались у вала, разглядывая то, что делалось впереди.
– И цепь сняли, видишь, назад прошли, – говорили они, указывая через вал.
– Свое дело гляди, – крикнул на них старый унтер офицер. – Назад прошли, значит, назади дело есть. – И унтер офицер, взяв за плечо одного из солдат, толкнул его коленкой. Послышался хохот.
– К пятому орудию накатывай! – кричали с одной стороны.
– Разом, дружнее, по бурлацки, – слышались веселые крики переменявших пушку.
– Ай, нашему барину чуть шляпку не сбила, – показывая зубы, смеялся на Пьера краснорожий шутник. – Эх, нескладная, – укоризненно прибавил он на ядро, попавшее в колесо и ногу человека.
– Ну вы, лисицы! – смеялся другой на изгибающихся ополченцев, входивших на батарею за раненым.
– Аль не вкусна каша? Ах, вороны, заколянились! – кричали на ополченцев, замявшихся перед солдатом с оторванной ногой.
– Тое кое, малый, – передразнивали мужиков. – Страсть не любят.
Пьер замечал, как после каждого попавшего ядра, после каждой потери все более и более разгоралось общее оживление.
Как из придвигающейся грозовой тучи, чаще и чаще, светлее и светлее вспыхивали на лицах всех этих людей (как бы в отпор совершающегося) молнии скрытого, разгорающегося огня.
Пьер не смотрел вперед на поле сражения и не интересовался знать о том, что там делалось: он весь был поглощен в созерцание этого, все более и более разгорающегося огня, который точно так же (он чувствовал) разгорался и в его душе.
В десять часов пехотные солдаты, бывшие впереди батареи в кустах и по речке Каменке, отступили. С батареи видно было, как они пробегали назад мимо нее, неся на ружьях раненых. Какой то генерал со свитой вошел на курган и, поговорив с полковником, сердито посмотрев на Пьера, сошел опять вниз, приказав прикрытию пехоты, стоявшему позади батареи, лечь, чтобы менее подвергаться выстрелам. Вслед за этим в рядах пехоты, правее батареи, послышался барабан, командные крики, и с батареи видно было, как ряды пехоты двинулись вперед.
Пьер смотрел через вал. Одно лицо особенно бросилось ему в глаза. Это был офицер, который с бледным молодым лицом шел задом, неся опущенную шпагу, и беспокойно оглядывался.
Ряды пехотных солдат скрылись в дыму, послышался их протяжный крик и частая стрельба ружей. Через несколько минут толпы раненых и носилок прошли оттуда. На батарею еще чаще стали попадать снаряды. Несколько человек лежали неубранные. Около пушек хлопотливее и оживленнее двигались солдаты. Никто уже не обращал внимания на Пьера. Раза два на него сердито крикнули за то, что он был на дороге. Старший офицер, с нахмуренным лицом, большими, быстрыми шагами переходил от одного орудия к другому. Молоденький офицерик, еще больше разрумянившись, еще старательнее командовал солдатами. Солдаты подавали заряды, поворачивались, заряжали и делали свое дело с напряженным щегольством. Они на ходу подпрыгивали, как на пружинах.
Грозовая туча надвинулась, и ярко во всех лицах горел тот огонь, за разгоранием которого следил Пьер. Он стоял подле старшего офицера. Молоденький офицерик подбежал, с рукой к киверу, к старшему.
– Имею честь доложить, господин полковник, зарядов имеется только восемь, прикажете ли продолжать огонь? – спросил он.
– Картечь! – не отвечая, крикнул старший офицер, смотревший через вал.
Вдруг что то случилось; офицерик ахнул и, свернувшись, сел на землю, как на лету подстреленная птица. Все сделалось странно, неясно и пасмурно в глазах Пьера.
Одно за другим свистели ядра и бились в бруствер, в солдат, в пушки. Пьер, прежде не слыхавший этих звуков, теперь только слышал одни эти звуки. Сбоку батареи, справа, с криком «ура» бежали солдаты не вперед, а назад, как показалось Пьеру.
Ядро ударило в самый край вала, перед которым стоял Пьер, ссыпало землю, и в глазах его мелькнул черный мячик, и в то же мгновенье шлепнуло во что то. Ополченцы, вошедшие было на батарею, побежали назад.
– Все картечью! – кричал офицер.
Унтер офицер подбежал к старшему офицеру и испуганным шепотом (как за обедом докладывает дворецкий хозяину, что нет больше требуемого вина) сказал, что зарядов больше не было.
– Разбойники, что делают! – закричал офицер, оборачиваясь к Пьеру. Лицо старшего офицера было красно и потно, нахмуренные глаза блестели. – Беги к резервам, приводи ящики! – крикнул он, сердито обходя взглядом Пьера и обращаясь к своему солдату.
– Я пойду, – сказал Пьер. Офицер, не отвечая ему, большими шагами пошел в другую сторону.
– Не стрелять… Выжидай! – кричал он.
Солдат, которому приказано было идти за зарядами, столкнулся с Пьером.
– Эх, барин, не место тебе тут, – сказал он и побежал вниз. Пьер побежал за солдатом, обходя то место, на котором сидел молоденький офицерик.
Одно, другое, третье ядро пролетало над ним, ударялось впереди, с боков, сзади. Пьер сбежал вниз. «Куда я?» – вдруг вспомнил он, уже подбегая к зеленым ящикам. Он остановился в нерешительности, идти ему назад или вперед. Вдруг страшный толчок откинул его назад, на землю. В то же мгновенье блеск большого огня осветил его, и в то же мгновенье раздался оглушающий, зазвеневший в ушах гром, треск и свист.
Пьер, очнувшись, сидел на заду, опираясь руками о землю; ящика, около которого он был, не было; только валялись зеленые обожженные доски и тряпки на выжженной траве, и лошадь, трепля обломками оглобель, проскакала от него, а другая, так же как и сам Пьер, лежала на земле и пронзительно, протяжно визжала.


Пьер, не помня себя от страха, вскочил и побежал назад на батарею, как на единственное убежище от всех ужасов, окружавших его.
В то время как Пьер входил в окоп, он заметил, что на батарее выстрелов не слышно было, но какие то люди что то делали там. Пьер не успел понять того, какие это были люди. Он увидел старшего полковника, задом к нему лежащего на валу, как будто рассматривающего что то внизу, и видел одного, замеченного им, солдата, который, прорываясь вперед от людей, державших его за руку, кричал: «Братцы!» – и видел еще что то странное.
Но он не успел еще сообразить того, что полковник был убит, что кричавший «братцы!» был пленный, что в глазах его был заколон штыком в спину другой солдат. Едва он вбежал в окоп, как худощавый, желтый, с потным лицом человек в синем мундире, со шпагой в руке, набежал на него, крича что то. Пьер, инстинктивно обороняясь от толчка, так как они, не видав, разбежались друг против друга, выставил руки и схватил этого человека (это был французский офицер) одной рукой за плечо, другой за гордо. Офицер, выпустив шпагу, схватил Пьера за шиворот.
Несколько секунд они оба испуганными глазами смотрели на чуждые друг другу лица, и оба были в недоумении о том, что они сделали и что им делать. «Я ли взят в плен или он взят в плен мною? – думал каждый из них. Но, очевидно, французский офицер более склонялся к мысли, что в плен взят он, потому что сильная рука Пьера, движимая невольным страхом, все крепче и крепче сжимала его горло. Француз что то хотел сказать, как вдруг над самой головой их низко и страшно просвистело ядро, и Пьеру показалось, что голова французского офицера оторвана: так быстро он согнул ее.