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

2、体内部测量，对等离子体有干扰，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

3、加电压和通过电流，对所加电压进行扫 描可得到描可得到I-V特性曲线特性曲线 I V 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 p Ie0 Ii0 VF 10 20 30 -30 -20 -10 A 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

4、打到探针上， 探测电流探测电流IIeo-Iio , 过渡区，探针电流为过渡区，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Iio 0 p V 0 pF VV FP VV ha d vdN v ee e sin2 4 )( cos e dS v e dN e v ee dvv e e ee e e e eee dv kT vm v kT

5、 m NvdN) 2 exp() 2 (4)( 2 2 2 3 Ne和Te均为鞘层外的电子密度和温度 V Vp p0 0时：时： ee e e e ee e e ee e vN m KT N ddv KT mv v KT m N d vdN v 4 18 4 1 sincos) 2 exp( 2 sin2 4 )( cos 0 2/ 0 2 2 2 2/3 0 e e eeeeee m KT SeNSveNI 2 2 1 4 1 0 iiii SveNI 4 1 0 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，

6、ei v 0ieo II p 无规则热运动的结果无规则热运动的结果 p Ie0 Ii0 VF 10 20 30 -30 -20 -10 A I V 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。 eeee kTSNI 14 0 105 . 2 p Ie0 Ii0 VF 10 20 30 -30 -20 -10 A 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

7、化规律为 )exp( 0 e p ee kT eV II 故探针电流： io e p e I kT eV II)exp()ln( 0 0 e i e p I II kT eV )ln( )( 0i p e IId eVd kT Vp )ln( 0 0 e i I II p Ie0 Ii0 VF 10 20 30 -30 -20 -10 A 当VpVF时，I0 00 )exp( i F e I kTe eV I )ln( 0 0 i e e F I I kT eV 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 两种方法 当VpVF时，电子电流将进 一步减小，最后探针电流 趋向于

8、离子饱和电流，但 这里的电流不再是 iiii SveNI 4 1 0 离子流是以离子声速向探针 表面流动的 i i i S m I e i0 2kT ZeN 为比例常数，0.4到1之间，Z为电荷数 对于氢等离子体，Z1，SiS SkTNS m kT eNI ei i e ii 15 0 102 2 eeee kTSNI 14 0 105 . 2 p Ie0 Ii0 VF 10 20 30 -30 -20 -10 A 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

9、差V pR VVV VR是空间电位相对于该参考电极的电位差 I V 绝缘套 参考电极 绝缘真空密封 p Ie0 Ii0 VF 10 20 30 -30 -20 -10 A 实际操作步骤和电路 pR VVV 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

10、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 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。 p Ie0 Ii0 A )ln( 0 0 i e e F I I kT eV i i e ii S m kT ZeNI 2 0 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

11、常采用快速扫描法测量探针曲线。 R I 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

12、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。 D D Iio1 Iio2 Ie2 Ie1 在两个饱和区域，电流决定于相应的离子流。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( 0 e p ee T eV II )exp( 2 1 e D e e T eV I I 取对数后为 e ee T eV II 21 lnln 再对V微商 e e e e e T e dV dI IdV dI I 2 2 1 1 11 将 代入，得

13、到 D D Iio1 Iio2 Ie2 Ie1 0 22 0 2 i i e I II T e dV dI 02iDe III Die III 01 在I=0时，特别简单 e i I T eI dV dI 2 )( 0 0 很容易从曲线的斜率得到电子温度。 i e ii m T eSnI 0 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 e i I D D kT eI dV dI D 2 0 0 i i e ii S m kT ZeNI 2 0 三探针诊断三探针诊断，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

14、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( i e p e I T eV II 00 2 0 )exp( ii e e II T eV I 得到 0 02 ln2ln e i e I I T eV 置探针3于悬浮电位，使其流过为零，根据 )ln( 0 0 i e e F I I T eV 如果V2以VF为零点 2ln )( 2 e F T VVe 直接得到电子温度 2ln )( 2F e VVe T )/5

15、 . 0/( iesea mkTAeIn 2ln/ )(5 . 0 43 VVTea efs TVV 3443 / )(dVVE p 2 )1 (2ln e i i e T T Z m m e k 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 i ii i i iiiiiiiii dv kT vm v kT m NvmvdNvvmP) 2 exp() 2 (4 8 1 )( 4 1 2 1 1 2 2 2 3 1 2 0 2 101

16、 1 2 4 1 2 8 4 1 kTvNkT m kT N ii i i ii vN 0 4 1 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。 1 2kT 磁场对探针的影响 磁场是影响的很重要的因素之一。 eB mE eB mv rc 2 m eB wc 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 ce r 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， p cice rar 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)ln( 0 若：磁场为强磁场