等离子体诊断技术探针测量

等离子体诊断技术-------静电探针测量1、等离子体诊断概述1.1目的及其在科学中发展的意义1.2需要诊断的内容（等离子体参数）1.3常用的等离子体诊断手段和种类1.4实验的可靠性和误差1.5干扰与噪声及其消除办法1.6分辨率2、静电探针诊断技术2.1探针的结构2.2单探针的工作原理2.3双探针的工作原理1.1目的及其在科学中发展中的地位等离子体诊断诊断：对等离子体性质和状态以及各种28参量（即表征等离子体性质和状态的物理量的测量是等离子体实验研究和等离子体各项应用需要首先解决的一个问题。等离子体诊断技术是等离子体科学和技术的重要部分，是与等离子体科学相伴随，相互促进而同时发展起来的一个特殊学科和科学领域。1.2需要诊断的内容（等离子参数）

随着等离子体科学和技术及其应用的发展，在低温等离子体中需要诊断的等离子体参量主要包括：

等离子体中电子温度及其时空分布

等离子体中电子密度及其时空分布

等离子体中离子温度及其时空分布

等离子体中离子密度及其时空分布

等离子体中中性原子及其时空分布

等离子体中反应物及其中间产物的种类、密度及

时空分布

等离子体中杂质原子、离子种类密度及其时空分

布

1.3常用的等离子体诊断手段和种类

适用于低温等离子体的诊断手段诊断手段可测等离子体参数利用等离子体发射的光波（光谱）进行诊断X射线电子温度、电子密度、离子密度、等离子不稳定性真空紫外光谱电子温度、电子密度、离子温度、离子密度、中性粒子密度紫外可见光谱电子温度、电子密度、离子温度、离子密度、中性粒子密度利用激光或电磁波与等离子体相互作用进行等离子体诊断激光散射电子温度远红外激光干涉电子密度微波干涉电子温度、电子密度激光荧光光谱原子密度、离子密度探针测量静电探针测量（郎缪探针测量）电子温度、电子密度、离子温度、离子密度、等离子体空间电位粒子测量质谱粒子种类和密度1.4实验的可靠性和误差误差系统误差偶然误差偶然误差是各种已知条件保持恒定的情况下，由于各种不可控因素使测量结果表现出来的差异。误差来源：测量本身的起伏和过程中的起伏。统计特性是精密测量误差的极限。多次测量来减小偶然误差。系统误差是由于测量过程中某些确定的因素使得测量结果和被测量量之间产生偏差。例如：光电管测量入射光强时存在的暗电流本底；计数粒子束时，由于探头失效时间而使计数损失等。偶然误差通常偶然误差随机偶然误差已知条件保持恒定变不变时，由于人为原因造成的读书误差。是等离子体特有的一种误差。干扰：由于外部因素引起的测量对象或测量结果的扰动和偏差。

噪声：内在因素引起的统计性涨落。干扰与噪声的来源干扰来源：空间电磁波、电源的噪声和试验系统本身的电磁干扰。由于很多等离子体系统是由各种放电产生的，所以放电对诊断的干扰时不可避免的。例如：磁探针对磁场的干扰；高温等离子体本身会辐射电磁波，从无线电波到x射线都有，还有逃逸粒子1.5干扰与噪声及其消除方法消除干扰的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、静磁屏蔽1.6分辨率在等离子体诊断中，分辨率是一个表示测量精确程度的物理量，包括被测物理量大小的分辨率和时间空间分辨率。被测物理量大小的分辨率：指的是被测数据相差多大程度，才能通过测量手段区别或鉴别出来。时间空间分辨率：指的是所测物理量大小随时间和空间变化的最小尺度。2、静电探针诊断技术发展历史：静电探针称为朗缪尔探针，由朗缪尔等人于1924年提出，已成为测量等离子体参量重要工具。另一个里程碑就是双探针技术的发现。当等离子体密度范围从几个粒子/cm3到大于1014/cm3时，朗缪尔探针适合在如此宽的等离子体密度范围内服务。测量参数范围等离子体密度100cm3~1014/cm3等离子体温度0.1eV~几百ev等离子体电位Vp0.1keV~几个keV2.悦1探针东的结挤构依据便不同巧的用音途，糊可以无采用多不同遇的探管针进疫行诊干断，因但探绳针的秋结构龙基本锹相同。单探针巴结构简示意色图双探厅针结菌构示关意图1-铜导护线；2-探针木；3-第一邀屏蔽大（耐椅火玻贴璃）残；4-第二振屏蔽隐（耐洗火玻遮璃）吗；5-聚四燥氟外末套；6-氧化孔瓷套从探饼针的速外形串，又浙可把光探针摆分为平板彩形探称针，圆筒溉形和球形必探针。探针习形状2.笛2单探愈针工君作原膏理在一讯般的欧气体摇放电毫研究拔中，残往往层利用锯朗缪酒尔探冻针来取测量电子躬温度、电子响密度和离子临密度等基订本参得量，赴基本通测量挡原理早如下辩图所绒示：1-探针诵电源嫩；2-电压胶表；3-电流堂表；4-放电苍真空康室；5-阴极掠；6-阳极窃；7-探针而；8-等离愈子体站；9-稳定镰电阻字；10牛-放电洗电源若把一晚个金僻属探佩针插骂入有品自由羊电子腹和正宇离子胳组成务的等东离子码体。角探针蜓电流偿为正拉离子役电流棵和部哄分电灭离子候电流者的代缝数和灾，即单探针临电压神特性Ip-探针灵电流正；Vp-探针松电压析；Vf-悬浮弦电位遇；Vs-等离你子体席空间绪电位Vf：当魄探针津电位匙增到誉某一搬定值Vf时，塞探针病电流贱为零建，即I=良0，这艺时探庆针好闻像悬姨浮在烂等离兆子体庙中一郊样，反这个五电位Vf称为象浮动纠电位膀。区域Ⅱ：离脊子电拘流饱泽和区提。此滤时探被针电由位远胜低于雷等离扭子体晴电位予，探浅针排绍斥所金有电虫子，熊唯有衬正离假子才叙能到护达扁探针猛，此盆时探交针电亲流即些为正雅离子继的饱望和电睡流。区域Ⅲ：当顶探针介电位Vp满足队时，洲电子副和离年子都庆被捕刷获，支并逐掘步过影渡到呼电子读电流凝流入史区。区域Ⅳ：当走探针术电位Vp满足秧时把，所夹有电丸子将贩不受岛电场侄力的味作用冲而依停靠它盆们自影己的药热运郊动能辨量到许达探碍针，赛这时苍探针铜电流赠趋向枪于另谈一种穗饱和酷，即皂电子市的饱串和电虫流。在曲可线Ⅲ阶段盒，电意子和稍离子肆都被根捕集舰，但罚离子合电流宣比电靠子电艳流小素得多稳。假摩定电化子速丝式度服可从麦刃克斯引韦分强布，子则电映子密词度为凑：①其中脑②式中V哑—探针母相对峰于等闷离子题体电哗位Vs—等离誓子体丸空间宵电位Vp—探针屈电位Ne—电子睛密度N0—中性陵原子夕密度kTe—电子经温度当探杯针电肚压为V时，返探针篮上的幼电子顺电流茶为③其中月，拍为蔑最大俩电子按电流(1俭)求Te表达叔式对③式么两边榆取对胸数，挤有④所以罚有⑤（2）求拘电子序密度Ne假设医单位塔时间抖内，心以速俗度v预e与探医针表掉面法妄线方侦向成θ角运鞠动的葬电子颈，与旗探针秤表面废单位罩面积糟单位讨时间混内碰嘉撞的熟次数Ψ为：⑥其中拜，沫为可打在台探针势上的涝，速租度为范围溉内的悼电子督密度舍。假设晋电子弄速度颜分布雪符合强麦克哲斯韦旧分布糠，则煌有⑦其中晴，Ne--锄-探针姓鞘外索层外舰电子茧密度Te--讽-电子询温度me--御-电子彻质量k揭--史-玻尔短兹曼醉常数将⑦拜代入⑥式速并对θ和V押e积分奏，得蔑到单轻位时烈间内微打到牙探针绍单位狱面积围上的译总电挣子数Φ：⑧当探史针电截压足粘够高墙时，遣探针否电流营唯一讲取决喊于电佩子密惠度。配这时蔽饱和泪电子乱流可以均表示涉为：⑨式中穿，A愉--墓-探针洁暴露芒于等脉离子爆体中忍的表胃面积e拦--承-电子畏荷电希量将⑧揭式代吵入⑨式轰有：⑩由⑩式探可以挎得到(3串)求离酒子密袜度Ni⒈在理想斯情况僻下（透通常弯情况毙下）兴，等累离子混体工漏作气膛体只在有一合阶电魂离，予或工灭作气俩体为抚纯氢幅时，负有Ni=Ne⒉当题等离衫子体毛为非咬纯氢饥等离砌子体没，且拘等离忧子体踩中不为是只粒有一督阶电塘离，环而且质还有渔高阶角电离墙时，符或者抵等离乞子体丧中有灰负离仿子时核，Ni=Ne。探针缴的饱申和电稿子流驱为：所以竹有式中，Ni--伙-离子薄密度--探针绞伏安溪特性越曲线椒上的肢饱和辩离子谎流mi--越-离子电质量2.并3双探群针工嫩作原招理双探展针测峡试回楚路图1-探针展电源桑；2-电压架表；3-电流浴表；4-绝缘农体；5-探针换；6-等离纵子体讽；7-阴极抵；8-真空词室；9-阳极例；10胁-放电牌电源况；11衣-稳定估电阻探针托由扫究描电种源提闻供所藏需电揉压，尖通过逃电压表奏和电庭流表诱分别饼测量结探针液间的写电压VD和流雁过探培针的裁电流ID，将测扯量数劣据绘咏制成V-脱I曲线。如师果两材个探逗针完慢全相壶同，赤它们汉所在桑的局食部空魂间的浓等离抄子体简是均能匀的叹，井甘且具有史相同的等加离子群体空酸间电鞠位，摔那么浮，探辟针间泄不存抵在等固离子泄体空皇间电美位差桨，故V-普I曲线应是关于论纵轴欠对称附的。双若探针V-悲I曲线桃如下榆图所弃示：其中闷纵坐汇标是菜流过喷探针籍的电厚流ID，横坐得标是差探针狮间的准电压VD。（1)求电喂子温岂度显然尤，两箭个探灿针是兽串联孙的且唯没有惑其他狮的电冤流支想路，搏根据药基尔悉霍夫电流芝定律刊，有：⑴⑵其中千，Ie1和Ie2分别为探夺针1和探户针2收集痰的电挠子电奖流，Ii0谁1和Ii0展2分别示探针1和探针2收集拥的离团子饱望和流南，Vp1和Vp2分别为探斧针1和探廉针2相对漆于等烫离子匹体的电位。设鞘皂层内篇的电闪子能甲量服灵从玻罗尔兹宴曼分往布，台鞘层颤外仍钱服从福麦克搁斯韦绣分布狐，则散探针收集的电盾子流为：⑶⑷其中某，ne1和ne2分别表示捷探针1和探棍针2鞘层肌外的剪电子蹈密度，和分别表示探针l和探针2鞘层窄外电液子的