等离子体物理诊断

1、2008年4月18日静电探针静电探针 又称又称Langmuir探针探针,是最早被用来测定等离子体特性的一种诊是最早被用来测定等离子体特性的一种诊断工具。可以根据其探针的伏安特性曲线导出等离子体的断工具。可以根据其探针的伏安特性曲线导出等离子体的电子温度电子温度、密度密度和和空间电位空间电位等重要参数。等重要参数。优点：优点：结构简单、具有空间分辨能力结构简单、具有空间分辨能力适用于低温等离子体的研究，甚至在高温等离子体的低温、低密度区域适用于低温等离子体的研究，甚至在高温等离子体的低温、低密度区域缺点：缺点： 深入到等离子体内部测量，对等离子体有干扰，并与等离子体有强深入到等离子体内部测量，对

2、等离子体有干扰，并与等离子体有强烈的相互作用烈的相互作用强磁场将对其伏安特性曲线有强烈的影响强磁场将对其伏安特性曲线有强烈的影响它的基本类型很简单，是一根难熔金属（钨、钼、钽）丝或棒，外面它的基本类型很简单，是一根难熔金属（钨、钼、钽）丝或棒，外面一般用陶瓷管套上，仅留一小段暴露于等离子体。有时陶瓷管外还加一般用陶瓷管套上，仅留一小段暴露于等离子体。有时陶瓷管外还加金属（不锈钢）管静电屏蔽。使用时，探针心加一可变直流电压，真金属（不锈钢）管静电屏蔽。使用时，探针心加一可变直流电压，真空室壁及屏蔽管接地。测量所加电压和通过电流，对所加电压进行扫空室壁及屏蔽管接地。测量所加电压和通过电流，对所加电

3、压进行扫描可得到描可得到I-V特性曲线特性曲线IV绝缘套参考电极绝缘真空密封如果探针是孤立绝缘的如果探针是孤立绝缘的如果给探针加上电压，使探针相对于空间的电位差为Vp典型的静电探针的伏安特性曲线典型的静电探针的伏安特性曲线pIe0Ii0VF10 20 30-30 -20 -10A若若： ，探针周围空间将形成电，探针周围空间将形成电子鞘层，离子电流将趋于子鞘层，离子电流将趋于0 0，电子饱，电子饱和电流。和电流。Vp0，处于，处于A点，空间电荷鞘消失，点，空间电荷鞘消失，电子离子无规则的热运动打到探针上，电子离子无规则的热运动打到探针上，探测电流探测电流IIeo-Iio , 过渡区，探针电流为过

4、渡区，探针电流为电子电流和离子电流之差，由于电子电子电流和离子电流之差，由于电子要克服探针表面的负电位要克服探针表面的负电位Vp，因而，因而电子电流随负电位的增大而减小。电子电流随负电位的增大而减小。VpVF时，时，I0 ，电子电流进一步减小，电子电流进一步减小，探针电流趋于饱和电流探针电流趋于饱和电流Iio0pV0pFVVFPVV ha dvdNveeesin24)(cosedSvedNeveedvv eeeeeeeeeedvkTvmvkTmNvdN)2exp()2(4)(2223Ne和Te均为鞘层外的电子密度和温度V Vp p0 0时：时：eeeeeeeeeeeevNmKTNddvKTmv

5、vKTmNdvdNv41841sincos)2exp(2sin24)(cos02/02222/30eeeeeeeemKTSeNSveNI221410iiiiSveNI410单位时间打在单位面积探针表面的电子数为电子平均速度若探针收集的有效面积为Se，则单位时间内打在探针表面的电子流为因此，eiv0ieoIIp无规则热运动的结果无规则热运动的结果pIe0Ii0VF10 20 30-30 -20 -10AIV绝缘套参考电极绝缘真空密封当Vp0时，探针周围形成电子鞘层，打到探针表面上的离子流将趋于0，因此探针电流趋于饱和电流。eeeekTSNI140105 . 2pIe0Ii0VF10 20 30-

6、30 -20 -10A当VFVp0时，处于过渡区，探针电流为电子电流与离子电流之差，但由于电子要克服探针表面的负电位，使其电子电流随负电位的增大而减小。由于鞘层外的电子是遵守麦克斯韦分布的，电子电流随Vp的变化规律为)exp(0epeekTeVII 故探针电流：ioepeIkTeVII)exp()ln(00eiepIIIkTeV)ln()(0ipeIIdeVdkTVp)ln(00eiIII pIe0Ii0VF10 20 30-30 -20 -10A当VpVF时，I000)exp(iFeIkTeeVI)ln(00ieeFIIkTeV只要实验中测出了悬浮电位VF，由上式就可以求出电子温度kTe两种

7、方法当VpVF时，电子电流将进一步减小，最后探针电流趋向于离子饱和电流，但这里的电流不再是iiiiSveNI410离子流是以离子声速向探针表面流动的iiiSmIei02kTZeN为比例常数，0.4到1之间，Z为电荷数对于氢等离子体，Z1，SiSSkTNSmkTeNIeiieii1501022eeeekTSNI140105 . 2pIe0Ii0VF10 20 30-30 -20 -10A由于Ii0与Ti无关，静电探针测量得不到关于Ti的数据但是Vp不容易直接测量，而只能测量探针相对于某一参考电极（例如：放电管的阴极、阳极、或与等离子体接触的管壁等）的电位差VpRVVVVR是空间电位相对于该参考电

8、极的电位差IV绝缘套参考电极绝缘真空密封pIe0Ii0VF10 20 30-30 -20 -10A 实际操作步骤和电路pRVVV实际静电探针测量线路，X，Y表示X-Y记录仪的输入端 计算时，首先将横轴向下移至饱和计算时，首先将横轴向下移至饱和离子流处，然后纵轴取对数，测量离子流处，然后纵轴取对数，测量过渡段的斜率，其倒数就是以过渡段的斜率，其倒数就是以eVeV为为单位的电子温度。因为电流取了对单位的电子温度。因为电流取了对数，结果和电流的单位无关，也和数，结果和电流的单位无关，也和电压的零点无关。电压的零点无关。 在实验中，可先从饱和离子流的值和中间一段计算电子温度Te，然后再计算离子密度，并

9、从电中性条件计算电子密度。从静电探针测量不能得到离子温度。 但是，在实际的实验中，特别是电子密度不很高时，往往难于确定饱和电子流Ie0，因为当电压增加时，电流也持续增加。达不到饱和。pIe0Ii0A)ln(00ieeFIIkTeViieiiSmkTZeNI20由上已知，由IV特性曲线可以得到很多重要的等离子体参数，特性曲线可以通过逐点改变电压V来测得。但这样测量繁琐，并且V中包含VR，在脉冲式或顺便的等离子体中，VR有较大的变化，通常采用快速扫描法测量探针曲线。RI差分放大器对数电路接示波器水平扫描接示波器垂直扫描锯齿波两个作用：触发电压变化锯齿波周期：几个微秒原因两个：分布电容的电流对信号产

10、生干扰等离子体鞘的形成需要时间二、双静电探针二、双静电探针 单探针在使用中存在一个大的问题，就是VR是不能准确知道，而且经常是不稳定的。为克服这一困难，有时使用双静电探针（简称双探针）。它是用两个同样的静电探针安装在空间接近的位置，都对地绝缘。第一种：插入一个辅助悬浮探针，它的表面与工作探针大很多，它所收集的电子流和离子流几乎相等基本上处于悬浮电位上，探针的偏压可以相对于悬浮电位来测量 第二种双悬浮探针法两个表面积相近的探针均对地绝缘。扫描电压VD加在两探针之间。如果两探针完全相同且所处等离子体均匀，特性曲线应是相对于原点反对称。DDIio1Iio2Ie2Ie1在两个饱和区域，电流决定于相应的

11、离子流。如果两探针对称，两饱和离子流相等。而中间段两探针的电流应遵循所以两电子电流的比)exp(0epeeTeVII)exp(21eDeeTeVII取对数后为 eeeTeVII21lnln再对V微商 eeeeeTedVdIIdVdII221111将 代入，得到DDIio1Iio2Ie2Ie102202iieIIITedVdI02iDeIIIDieIII01在I=0时，特别简单eiITeIdVdI2)(00很容易从曲线的斜率得到电子温度。ieiimTeSnI0据离子电流强度求出离子密度，在低温等离子体中，离子密度等于电子密度eiIDDkTeIdVdID200iieiiSmkTZeNI20三探针诊

12、断三探针诊断，可用静电探针系统直接测量等离子体的电子温度 一组三个同样的静电探针置于等离子体内彼此接近的位置。其中1，2两探针间加上一个适当的直流电压。由于它们的电位是悬浮的，V2-V1固定，会自动调整V1，V2使得满足I1+I2=0。这时，I1为饱和离子流，I2为数值等于（但符号相反）离子流的电子流。按照00)exp(iepeITeVII0020)exp(iieeIITeVI得到002ln2lneieIITeV置探针3于悬浮电位，使其流过为零，根据 )ln(00ieeFIITeV如果V2以VF为零点 2ln)(2eFTVVe直接得到电子温度2ln)(2FeVVeT)/5 . 0/(iesea

13、mkTAeIn2ln/ )(5 . 043VVTeaefsTVV3443/ )(dVVEp2)1 (2lneiieTTZmmek静电探针方法中的几个问题 探针表面升温当孤立探针放入到等离子体中时，其表面将处于稳定的悬浮电位VF，并且在单位时间内打到探针表面的正负带电粒子流相等，因此单位面积探针由于与等离子体的碰撞所接受到的功率为iiiiiiiiiiiiiidvkTvmvkTmNvmvdNvvmP)2exp()2(481)(412112223120210112412841kTvNkTmkTNiiiiiivN041可以认为是平均速度为vi的离子在单位时间内与探针单位面积碰撞的次数可认为是每个碰撞离子在每次与探针的碰撞时所平均传递的能量。12kT 磁场对探针的影响磁场是影响的很重要的因素之一。eBmEeBmvrc2meBwc平行于磁场方向，粒子运动不受磁场影响，碰撞的平均自由程不变在垂至于磁场方向，粒子绕磁力线作回旋运动，因而其平均自由程不可能大于拉莫尔圆的范围。探针变为两维问题若：磁场为弱磁场，ha 简单条件cer磁场对探针的影响不大，只是电子饱和电流有些降低，以前的推论仍然适用若：磁场为中等磁场，pcicerar电子饱和电流将大大降低，而离子饱和电流基本上不受影响，这时仍可由半对数特性曲线的斜率来测定kTeVII)