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trTe,trNe,trTi,trNi,trNo,trNR,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keV2.1探针的结构依据不同的用途，可以采用不同的探针进行诊断，但探针的结构基本相同。单探针结构示意图双探针结构示意图1-铜导线；2-探针；3-第一屏蔽（耐火玻璃）；4-第二屏蔽（耐火玻璃）；5-聚四氟外套；6-氧化瓷套从探针的外形，又可把探针分为平板形探针，圆筒形和球形探针。探针形状2.2单探针工作原理在一般的气体放电研究中，往往利用朗缪尔探针来测量电子温度、电子密度和离子密度等基本参量，基本测量原理如下图所示：1-探针电源；2-电压表；3-电流表；4-放电真空室；5-阴极；6-阳极；7-探针；8-等离子体；9-稳定电阻；10-放电电源若把一个金属探针插入有自由电子和正离子组成的等离子体。探针电流为正离子电流和部分电离子电流的代数和，即IIIei单探针电压特性Ip-探针电流；Vp-探针电压；Vf-悬浮电位；Vs-等离子体空间电位Vf：当探针电位增到某一定值Vf时，探针电流为零，即I=0，这时探针好像悬浮在等离子体中一样，这个电位Vf称为浮动电位。区域Ⅱ：离子电流饱和区。此时探针电位远低于等离子体电位，探针排斥所有电子，唯有正离子才能到达探针，此时探针电流即为正离子的饱和电流。区域Ⅲ：当探针电位Vp满足时，电子和离子都被捕获，并逐步过渡到电子电流流入区。spfVVV区域Ⅳ：当探针电位Vp满足时，所有电子将不受电场力的作用而依靠它们自己的热运动能量到达探针，这时探针电流趋向于另一种饱和，即电子的饱和电流。spVV在曲线Ⅲ阶段，电子和离子都被捕集，但离子电流比电子电流小得多。假定电子速度服从麦克斯韦分布，则电子密度为：①其中②式中V—探针相对于等离子体电位Vs—等离子体空间电位Vp—探针电位Ne—电子密度N0—中性原子密度kTe—电子温度ekTeVeeNN0psVVV当探针电压为V时，探针上的电子电流为③其中，为最大电子电流ekTeVeoeeiieoi(1)求Te表达式对③式两边取对数，有④所以有⑤eeoeiikTeVlnlneeiddVkeTln（2）求电子密度Ne假设单位时间内，以速度ve与探针表面法线方向成θ角运动的电子，与探针表面单位面积单位时间内碰撞的次数Ψ为：⑥其中，为打在探针上的，速度为dvdNVeeesin24)(cos)(eevdNeedvv范围内的电子密度。假设电子速度分布符合麦克斯韦分布，则有⑦eeeeeeeeedvkTvmkTmvvdN)2exp()2(4)(22/32其中，Ne---探针鞘外层外电子密度Te---电子温度me---电子质量k---玻尔兹曼常数将⑦代入⑥式并对θ和Ve积分，得到单位时间内打到探针单位面积上的总电子数Φ：⑧eeemkTN841当探针电压足够高时，探针电流唯一取决于电子密度。这时饱和电子流可以表示为：eoieAieo⑨式中，A---探针暴露于等离子体中的表面积e---电子荷电量将⑧式代入⑨式有：⑩AemkTNieeeeo841由⑩式可以得到eeeoekTmeAiN2(3)求离子密度Ni⒈在理想情况下（通常情况下），等离子体工作气体只有一阶电离，或工作气体为纯氢时，有Ni=Ne⒉当等离子体为非纯氢等离子体，且等离子体中不是只有一阶电离，而且还有高阶电离时，或者等离子体中有负离子时，Ni=Ne。探针的饱和电子流为：AemkTNiieioi24.0所以有eioiikTmAeiN24.0式中，Ni---离子密度--探针伏安特性曲线上的饱和离子流mi---离子质量2.3双探针工作原理双探针测试回路图1-探针电源；2-电压表；3-电流表；4-绝缘体；5-探针；6-等离子体；7-阴极；8-真空室；9-阳极；10-放电电源；11-稳定电阻探针由扫描电源提供所需电压，通过电压表和电流表分别测量探针间的电压VD和流过探针的电流ID，将测量数据绘制成V-I曲线。如果两个探针完全相同，它们所在的局部空间的等离子体是均匀的，井且具有相同的等离子体空间电位，那么，探针间不存在等离子体空间电位差，故V-I曲线应是关于纵轴对称的。双探针V-I曲线如下图所示：其中纵坐标是流过探针的电流ID，横坐标是探针间的电压VD。（1)求电子温度显然，两个探针是串联的且没有其他的电流支路，根据基尔霍夫电流定律，有：⑴⑵211122ppDioeeioDVVVIIIII其中，Ie1和Ie2分别为探针1和探针2收集的电子电流，Ii01和Ii02分别探针1和探针2收集的离子饱和流，Vp1和Vp2分别为探针1和探针2相对于等离子体的电位。设鞘层内的电子能量服从玻尔兹曼分布，鞘层外仍服从麦克斯韦分布，则探针收集的电子流为：⑶⑷)exp(41)exp(41222222111111eppeeeppeekTeVAvenIkTeVAvenI其中，ne1和ne2分别表示探针1和探针2鞘层外的电子密度，和分别表示探针l和探针2鞘层外电子的平均速度；Ap1和Ap2分别表示探针1和探针2收集电子的有效面积。考虑到两探针完全相同，它们所在局域等离子体参数一致，将⑶式和⑷式相除得：1v2v]exp[21eDeekTeVII⑸对⑸式两边取对数，再对VD求微商：eDeeDeekTedVdIIdVdII221111⑹并且：0212211DioDioDioeioDedVdIdVdIIIIIII所以有：2121))((ioioDioioDeDDIIIIIIkTedVdI⑺当ID=0时，有：⑻21210|ioioioioeIDDIIIIkTedVdID其中ioioioIII21所以有：⑼eioIDDkTeIdVdID2|0由上式可以得到等离子体中电子温度表达式为：⑽0|2DIDDioedIdVeIkT由⑽式可知，只要求得探针曲线过零点处的斜率便可以得到电子温度。(2)求等离子密度Np由于双探针只能收集到离子饱和流，故只能计算离子密度作为等离子体密度，计算方法与单探针相同，等离子体密度表达式为：⑾iepioeopmkTeAnnn/653.1综上所述，通过双探针能测量的等离子体参数有：电子温度和等离子体密度（准确的说是离子密度）。