等离子体诊断技术----探针测量

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 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：
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
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。
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 等离子体温度 等离子体电位Vp 100cm3~1014/cm3 0.1eV~几百ev 0.1keV~几个keV
2.1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。
I D I io 2 I e 2 I e 1 I io 1 VD V p1 V p 2
⑴ ⑵
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 ( e ) 为打在探针上的，速度为
范围内的电子密度。
v e dv e
假设电子速度分布符合麦克斯韦分布，则有
m mv dN e(v e ) 4v e ( e )3 / 2 exp( e e ) e dv 2kTe 2kTe
2 2
⑦
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
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。 V f：当探针电位增到某一定值V f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V f称为浮动电位。
区域Ⅲ：当探针电位Vp满足Vf V p Vs 时，电子和离子都 被捕获，并逐步过渡到电子电流流入区。 区域Ⅳ：当探针电位V p满足 时，所有电子将不受电 V p Vs 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。 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： eV ① N e N 0e kTe

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T e r ,t 等离子体中电子密度及其时空分布 N e r ,t 等离子体中离子温度及其时空分布T i r ,t 等离子体中离子密度及其时空分布N i r ,t 等离子体中中性原子及其时空分布N o r ,t 等离子体中反应物及其中间产物的种类、密度及 时空分布 N R r ,t 等离子体中杂质原子、离子种类密度及其时空分 布
ieo
1 8kTe Ne Ae 4 m e
⑨
⑩
由⑩式可以得到
Ne
ieo eA
2m e
kTe
(3)求离子密度N i
⒈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 N i=N e ⒉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，N i=N e。
Ie1 eV exp[ D ] Ie 2 kTe
⑸
对⑸式两边取对数，再对VD求微商：
1 dI e1
Ie1 dV D

1 dI e 2
Ie 2 dV D

e kTe
⑹
并且：
I e 1 I D I io 1 I e 2 I io 2 I D dI io 1 dI io 2 0 dV D dV D
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：
Ie1 Ie 2
eV 1 ene 1 v 1 Ap 1 exp( p 1 ) 4 kTe 1 eV 1 ene 2 v 2 Ap 2 exp( p 2 ) 4 kTe 2
⑶
⑷

其中，ne1和 ne2分别表示探针 1 和探针 2 鞘层外的电子密度，v 1 和 v 2 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：
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
I I
i
Ie
单探针电压特性 I p-探针电流；V p-探针电压；V f-悬浮电位； V s-等离子体空间电位

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 利用等离子 体发射的光 波（光谱） 进行诊断 X射线 可测等离子体参数 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
单探针结构示意图 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
双探针结构示意图
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：
偶然误差 误差 系统误差
通常偶然误差 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。
1.5干扰与噪声及其消除方法
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
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
dI D eI io | D 0 I dV D 2kTe
⑼
由上式可以得到等离子体中电子温度表达式为：
kTe eI io dV D | D 0 I 2 dI D
⑽
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：
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。
V Vs V p 其中 式中 V —探针相对于等离子体电位 V s—等离子体空间电位 V p—探针电位 N e—电子密度 N 0—中性原子密度 kT —电子温度
②
当探针电压为V时，探针上的电子电流为
ie ieoe

eV kTe
③
其中，eo为最大电子电流 i
(1)求T e表达式 对③式两边取对数，有
将⑦代入⑥式并对θ和V e积分，得到单位时间内打到探针单位 面积上的总电子数Φ：
1 8kTe Ne 4 m e
⑧
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 ieo 可以表示为：
ieo Ae
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：
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 探针测量
激光散射
电子温度
远红外激光干 电子密度 涉 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 静电探针测量 电子温度、电子密度、离子温度、 （郎缪探针测 离子密度、等离子体空间电位 量） 质谱 粒子种类和密度
粒子测量

探针的饱和电子流为：
ioi 0.4N i
2kTe
mi
Ae
所以有
N i
ioi 0.4Ae
mi 2kTe
式中， N i ---离子密度 --探针伏安特性曲线上的饱和离子流
m i ---离子质量
2.3双探针工作原理
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 V D 和流过探针的电流 I D，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：