基于VB的Langmuir探针仿真实验

1、实 验 室 研 究 与 探 索R ESEARCH AND EXPLORA T ION IN LABORA TOR Y第 26 卷 第 12 期2007 年 12 月Vo l. 26 No. 12D ec. 2007基于 VB 的 L angm uir探针仿真实验孙旭 ,赵青(电子科技大学 物理电子学院 ,四川 成都 610054 )摘要 :为了满足等离子体实验教学的需求 ,开发了基于 VB 的 L angm u ir单探针 、双探针仿真实验 ;提供了接近真实的操作界面 ,通过介绍实验原理 、思想 、内容 、数据拟合及误差处理 , 说明了 VB 用于仿真L angm u ir探针实验的可行性 ,

2、达到了仿真目的 。关键词 : VB ; L angm u ir探针 ; 仿真实验 ; 拟合曲线文章编号 : 1006 - 7167 ( 2007 ) 12 - 0044 - 03中图分类号 : G434文献标识码 : ALa ngm u ir P ro be S im u la tio n Exp e rim e n t B a se d o n VBSUN X u,ZHAO Q ing( Co llege of Physica l E lec tron ic s , U n iv. of E lec tron ic Sc ience and Techno logy of Ch ina, Ch

3、engdu 610054 , Ch ina)A b stra c t: In o rde r to m ee t the need of p la sm a exp e rim en t and teach ing, a L angm u ir p robe sim u la tion exp e rim en t ba sedon VB wa s de signed w ith an app roxim a te in te rface. B a sed on the in troduc tion of exp e rim en t theo ry, idea, con ten ts, da

4、 ta and d ispo sa l of e rro rs, it p rove s the fea sib ility of VB sim u la tion and ach ieve s the sim u la tion in ten tion.Key word s: VB ; L angm u ir p robe; sim u la tion exp e rim en t; fitting cu rveCL C n um ber: G434D ocum en t code: AA r t ic le ID : 1006 - 7167 ( 2007 ) 12 - 0044 - 03仿

5、真实验利用计算机技术建立模拟实验环境 ,学生通过输入必要的参数或者交互式操作进行实验 ,通 过输入不同的参数 ,观察不同的结果 ,进行分析比较 , 学习科学探究的能力 。其优势在于解决了实验仪器不足或者固有误差较大等问题 ,达到培养学生学习兴趣 及学以致用的教学要求和目的 。本文以 L angm u ir探 针实验 (静电探针法诊断等离子体参数实验 )为例 ,介 绍了以 V isua l B a sic设计和制作的仿真实验 。宙等多个领域中的广泛应用 ,对等离子体参数的测量就显得尤为重要 。 采用有极放电的方式在充有稀薄气体的放电管内产生等离子体 ,随着激发高压的增加依次产生暗放电 、辉光放电

6、和弧光放电 3个状态 。L angm u ir探针法诊断 等离子体参数应该在辉光放电状态 , 实验电路 (单探针 )如图 1 所示 , 向等离子体中插入一根极小的电极(探针 , p robe) ,然后加上偏置电压 VB , 测定流过探针 的电流 I,可得到电流 2电压特性曲线 。从测量的数据1L an gm u ir探针实验原理等离子体 ( p la sm a)是一种正离子和电子的密度大 致相等并表现出集体行为的电离气体 ,总体来看为准 电中性 ,人们把物质的这种存在状态称为物质的第四 态 。由于等离子体从能源到物质 、材料 ,甚至环境 、宇可以求得等离子体的密度 n 、电子温度 T 、等离子

7、体0e电位和悬浮电位 VF 。这是一种较为简单 、常用的测量 1 , 2 方法 ,被称为郎缪尔探针法。按探针的数目不同可以分为单探针法 ,双探针法 等 ,本实验采用单探针和双探针两种方法 。2 实验设计V isua l B a sic 是 M ic risoft公司推出的可视化编 程 环境 。主要适应在 W indow s下进行 32 位应用程序的 开发 。VB 不仅可以提供可视化的编程环境 ,而且功能 强大使用方便 ,可操作性强 ;针对此仿真实验 , VB 具有 灵活的面向对象特性 ,可以轻松地定义 、管理和控制对收稿日期 : 2006 - 12 - 31基金项目 :电子科技大学研究生课程设

8、计项目 。作者简介 :孙 旭 ( 1983 - ) , 男 , 硕士生 , 主要从事物理电子学方 面的研究 , E2m a il: Tel: 028 283202676。通信作者 :赵 青 ( 1964 - ) , 男 , 副教授 , 主要从事高功率毫米波 回旋脉塞器件 、微波信息技术与计算机模拟 、微波等离子体的应用等方 面研究 。 E2m ail: zhaoq ue stc. edu. cn图 3 单探针的 I2V 特性曲线故可得 :e (Vp - Vsp )k Te =( 2 )In I - In Ipe0这说明过渡区应呈线性关系 ,该直线的斜率即为等离子体的电子温度 Te :图 1 单

9、探针实验电路象 ,提供强大的数据处理功能 、数学运算功能及简易的 作图方式 。2. 1 单探针诊断法实验原理首先启动单探针诊断程序 ,如图 2所示 ,并熟悉操 作界面 3 , 4 中电路的连接方式 , 以便与双探针诊断程序的电路作对比记忆 。e (Vp1 - Vp2 )=( 3 )k TeIn I- In Ip2p1求电子密度 ne0和离子密度 ni ,对应等离子体空间电位 Vsp的纵坐标即为电子饱和电流 Ie0 , 它的表达式 为 : 19= je0 Ap =ene0 Ap ¯ve = 2. 7 ×10 ne0 ApIe0k Te4( 4 )由此 ,8= 3. 7 

10、15;10 Ie0 / (Apk Te )( 5 )ne02其中 Ap 为探针的表面积 ,以 cm 为单位 ; 电子电流 Ie 和电子饱和电流 Ie0以 mA 为单位 ; kTe 以 eV 为单 位 。由等离子体的电中性可知 : ni = ne0 ,故可求得离子- 3密度 ni 。 ne0与 ni 的单位是 cm 。2. 2 双探针诊断法实验原理双探针法插入探测区域的是两根完全相同的探 针 ,两根针上均加有诊断电压 ,诊断方法与单探针法相同 ,操作界面如图 4 所示 。图 2 单探针诊断程序操作界面通过高压发生器的读数 ,可以知道放电管处于辉光放电状态 ,也就是我们需要的实验状态 。 在左侧电

11、源 DH1718D 23DUAL 的输入框中可以调节诊断电压 ,调节探针上的电压由零以 1V 或 2V 为步 长逐渐增大 ,输入诊断电压后敲入回车键即可显示诊断电流值并在作图界面上画出该点 ,记下相应的诊断 电压和电流 。调整电源 DH1718D 23DUAL 为负值电压(即相当于调解转换开关 ) ,重复以上测量操作 。 测量完毕 ,在作图界面中即可观察到本次测量完整的 I2V 曲线 ,得出偏置电压与电流的关系 ,分析曲线数据并带入公式即可算出等离子体电子温度等参数 。 具体数据处理及参数计算如下 。由观察 I2V 曲线可以得到等离子体空间电位 Vsp和悬浮电位 Vf ,见图 3。在过渡区探针

12、电流 Ip 与鞘层电场 (Vp 2Vsp )呈指数 关系 ,即 :图 4 双探针诊断程序操作界面参数计算 :根据公式 dU d|= e I(6)k Tei0Id = 02d Id由曲线读出 Ii0的值 , 代入公式即可得电子温度 。离子 (电子 )浓度可由公式计算得到 :Ip = Ie - Ii Ie = Ie0 ex( 1 )k Tee (Vp - Vsp )p实验室研究与探索46第 26 卷 1 2 Ii0 会丢失曲线上部分点对测量点的贡献 ,为了恢复这些贡献 ,我们将 ( h - h1 )迭加到 h1 中 , 再对 g ( x ) 作卷积 。2( 7 )ni=a eZ Sea KTe3I

13、2V曲线的拟合处理为了在程序中描绘 出 I2V 曲线 , 如 图 中 x线代表实际实验测得的数据 ,需要对2. 3因此 , 二次迭加可表为 : h2 = h1 + ( h - h1 ) g, 依次类5 所 示 , 其I2V 曲线进33推 , n 次叠加可表示为 hn = hn - 1 + ( h - hn - 1 )g = h g,( n)这里 n 阶滤波函数 gn = 1 - ( 1 - g ), 在绝大多数情行拟合 5 , 6 ,用数学函数将 I2V 曲线表示出来并绘制成如图的实线 ,这是本程序设计中最关键的部分 ,同时利 用 VB 引入随机误差的功能 ,可以尽量保证仿真实验 的真实性 。

14、况下 , g 可以近似地用高斯函数代替 , 即nnV + e-2h2 ( i - j) 2V-nk +1 ckgn = ( -1 )I (V )( 9 )k = 1其中 V - , V + 分别为测量电压的起点和终点 。从上面的式子可以看出 , H ayden拟合法有两个参 数 :与高斯分布标准偏差成正比的 和迭加次数 n ,拟 合结果的好坏与这两个参数的选取密切相关 。我们选 取参数 = 2 , n = 1对探针曲线进行拟合 ,拟合结果与真实实验数据相符 。3 结语为了让学生掌握等离子体静电探针诊断技术 ,深入理解等 离 子 体 诊 断 的 教 学 内 容 , 利 用 VB 制 作 了L a

15、ngm u ir探针仿真实验 ,仿真实验为学生提供了友好 的界面 ,接近实际的实验结果 ,达到了实验的目的 。图 5 单探针和双探针 I2V 曲线近 来报 道 了一 种新 的 拟 合 方 法 , 称 为 H ayden 7 法 。我们用 H ayden 法对 L angm u ir探针实验的 I2V 曲 线进行了拟合处理 ,得到了与真实实验基本一致的结 果 。H ayden法的基本思想是 :当实验中测量一个函数参考文献 ( Referen ce s) : 1 Donne A J H. P la sm a d iagno stic techn ique J . Tran sac tion s o

16、fSc ience and Techno logy, 2002 , 41 ( 2 T) : 361.营井秀郎. 等离子体电子工程学 M . 北京 : 科学出版社 , 2002:56 259.王 鑫 ,肖 化 ,吴先球. 基于 F la sh 的远程仿真实验 J . 实验室 研究与探索 , 2005 , 24 ( 3 ) : 14 215 , 51.王 鑫 ,吴先球 ,肖 化 ,等. 等离子体诊断仿真实验设计 J . 华 南师范大学学报 , 2005 ( 1 ) : 51 254.池凌飞 ,林揆训 ,林璇英 ,等. 等离子体的 L angm u ir探针诊断及数 值滤波 J . 真空 , 199

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18、是被测函数 , g ( x ) 是仪器决定的函数 。考虑到 噪 声 的 影 响 , 被 测 函 数 又 可 以 表 为 h ( x ) = hn ( x ) + N ( x ) ,其中 hn ( x )是拟合函数对实际函数的 n 阶近似 , N ( x ) 为噪声函数 。由于噪声函数和 g ( x ) 卷 6 7 3积为零 ,所以一阶近似可以写成 : h1 = h g ,但是这样做(上接转第 39 页 )通过本次实验的结果 ,提醒我们在选择植被做防护林 时 ,要对植被的自振频率做谨慎的选择 ,以防出现植被 与波浪“同步摇摆 ”的现象 ,徒劳无功 。a s a coa sta l p ro tec tion from waves in the Tong King de lta, V ie tnam J . M angrove s and Sa lt M a rshe s, 1997 ( 1 ) : 127 2135.Yo sh ih iro M azda, E ric W o lan