静电探针法对等离子体参数的测定
等离子体特性实验
实验简介等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态体系，是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。
等离子体有别于其他物态的主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。
气体放电是产生等离子体的一种常见形式，在低温等离子体材料表面改性、刻蚀、化学气相沉积、等离子体发光等方面有广泛的应用，同时也是实验室等离子体物态特性研究的重要对象。
气体放电实现的方式可以千差万别，但产生放电的基本过程是利用外（电）场加速电子使之碰撞中性原子（分子）来电离气体。
本实验的目的是领会气体放电的基本原理和过程；掌握常规的静电探针诊断方法；了解等离子体中离子声波的激发、传播、阻尼等基本特性。
实验原理⏹气体放电原理与实验装置●利用电子对中性气体的轰击使气体电离是产生等离子体的一种常见的方法。
在直流放电情况下，当灯丝（钨、鉭）达到足够高的温度时，许多电子会克服表面脱出功而被发射出来。
这些初始电子在外加的直流电场中加速，获得足够的能量与中性气体碰撞并使之电离。
室温下大多数常用气体的第一电离能在20eV左右，故而施加于阴极（灯丝）与阳极（本实验中为真空室壁）之间的电位差必须高于20V。
遭轰击而被剥离的电子称为次级电子，与初始电子相比，次级电子的能量较低。
等离子体中大多数电子是次级电子。
电子碰撞电离截面在能量为几十电子伏左右达到最大，通常在阴极与阳极之间施加30~100V电压就可以形成稳定的直流放电。
●有几种因素限制了电极间产生的放电电流的大小。
首先是阴极的电子发射能力的限制，阴极表面的发射电流密度由理查森（Richardson）定律给出：（1）其中T和W分别是灯丝的温度合材料的脱出功，k为波尔兹曼常数。
A的理论值为,实际中A的数值在,之间。
对钨来说，,W=4.5eV,在T=2000K（熔点3650K）时，。
●其次是空间电荷效应的限制。
在中性原子稀少的情况下（如真空管中），电极之间的电流不会太大，电流受到限制的原因是积累在阴极附近的电子阻止了新的发射电子。
等离子体技术以应用-2-2-静电探针法(朗谬尔探针)讲解
(3.3) (3.4)
其中Ie0 和Ii0 的单位是mA，电子浓度ne0 和离子浓度ni0 相等，单 位为cm-3鞘层表面积等于探针表面积挂AP, 单位是cm2，电子温 度和离子温度单位为eV, A 是离子的原子量，探针鞘层电压
VP U P VSP
（3.5）
带电粒子经过鞘层的电流 I e I e0 exp[eVP (kTe )] I e0 I i I i 0 exp[ eVP (kTi )] I i 0
（一）静电单探针的使用条件及其伏安特性 使用单探针的条件如下： (1 ）被测空间是电中性的等离子体空间，电子浓 度ne和正离子浓度 ni相等，电子与正离子的速度满足麦 克斯韦速度分布，它们的温度分别为Te和Ti； (2 ）探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面 积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探 针的面积相等； (3 ）电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度 λD 大， 这样就可忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激 发和电离； (4）探针材料与气体不发生化学反应； (5）探针表面没有热电子和次级电子的发射。
ne0 ni 0 3.7 108 I e0 ( AP kTe )
（3.16）
其中neo、nio 、单位是cm-3， Ieo单位是mA， Ap单位是cm2， KTe单位是eV。
这样利用（3.15）、（3.16）式就可以计算出等离子体 的电子温度Ti 和等离子体密度ne 、 ni （电子密度和离子密 度）。
（3）离子饱和区 当鞘层电压降
（3.18） 时，电子被完全拒斥，探针电流由纯离子流组成，即
VP U P VSP 0
I P I i I i 0 exp[ eVP
(kTi )] I i 0
低频放电等离子体静电探针诊断方法
低频放电等离子体静电探针诊断方法1 介绍低频放电等离子体静电探针诊断方法是一种常用的等离子体诊断方法，可以用来研究等离子体的性质和特性。
静电探针是一种比较简单、直接的等离子体诊断方法之一，也是常用的等离子体诊断方法。
本文将对低频放电等离子体静电探针诊断方法进行详细介绍。
2 等离子体基本概念在介绍低频放电等离子体静电探针诊断方法之前，需要先了解什么是等离子体。
等离子体是由一定数量的正、负离子和自由电子组成的带电气体。
当气体中的电子被能量激发后就可以把原子或分子中的电子推出来，这样就形成了等离子体。
3 静电探针基本原理静电探针是一种通过测量等离子体中电势差变化来进行等离子体诊断的方法。
它由一个金属导体组成，将其暴露在等离子体中，与等离子体中的电荷相互作用，导致静电势变化。
这种势变化与等离子体中的导电性、电子密度及温度等因素有关，通过对这些因素的测量，可以得到等离子体的基本性质。
4 静电探针的种类在低频放电等离子体静电探针诊断中，静电探针主要分为两种：长探针和短探针。
长探针主要用于等离子体诊断，可以测量等离子体中的全局特性参数，如电子密度、电子温度、离子密度等；而短探针主要用于研究等离子体中的局部特性参数，如等离子体中的局部电势、磁场等。
5 静电探针使用注意事项在使用静电探针进行低频放电等离子体诊断时，需要注意以下几点：1. 探针的长度要与等离子体宽度相当；2. 探针的尺寸要适中，过小可能会对等离子体产生影响；3. 探针需要先通过真空来清除表面的气体，否则可能影响测量结果；4. 探针需要定期进行校准，以确保测量结果的准确性。
6 结论低频放电等离子体静电探针诊断方法是一种比较直接、简单的等离子体诊断方法，可以用来研究等离子体的性质和特性。
在使用静电探针进行等离子体诊断时，需要注意探针的长度与等离子体宽度相当、尺寸适中、清除表面气体并定期校准等问题。
实验一--ECR等离子体参数的测量
ECR微波等离子体离子参数的测量一实验背景电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance)微波等离子技术是本世纪六十年代中期开始的，经过几十年的发展，现在已日趋成熟。
微波ECR等离子体与传统等离子体相比，具有高密度、高能量转换率、低工作气压、无电极放电、高各向异性以及低离子能量等优点，最初被应用于核聚变的开发研究，后来又在托卡马克、串级磁镜等聚变装置中进行等离子体加热研究。
近年来，ECR等离子体被广泛运用于微电子技术，材料加工，低温表面处理工艺中。
了解并优化ECR等离子体特性参数是ECR等离子体应用的关键。
在等离子体诊断中，Langmuir探针是最早的等离子体诊断手段之一；是低气压冷等离子体应用最广泛的等离子体诊断工具。
其突出优点是：结构简单，操作方便，能够直接测量等离子体的局部V-I曲线，且根据测得的伏安曲线可导出等离子体密度、电子温度和空间电位等参数，而光谱测量等技术，只能测得等离子体的平均参数。
离子温度是衡量ECR等离子体中最重要的参数之一，本实验运用离子灵敏探针(Ion Sensitive Probe)对其氧等离子体的离子温度T i、离子密度N i 进行了测量研究。
二实验目的1 了解ECR等离子体的性质2 采用离子灵敏探针测量等离子体参数三实验装置ECR微波等离子体装置、离子灵敏探针及静电探针自动测量仪四实验原理1. ECR等离子体的原理及特点图 1 电子回旋谐振（ECR）等离子体反应器的结构图图1为刻蚀所采用的电子回旋共振等离子体源结构示意图。
磁控管发射的微波在矩形波导中以TE10模式传输，经环行器、三螺钉阻抗调配器后到达模式转换器，再耦合到圆波导以TM01模式传播，馈入石英窗后进入放电室。
磁场线圈通电后产生一个轴向磁场，在此磁场作用下,腔体内气体分子的外层电子作圆周运动,当电子作圆周运动的频率与微波频率相等时，电子大量吸收微波能量并被加速，使气体大量电离产生等离子体。
静电探针法对等离子体参数的测定
第５期贾瑞金等：静电探针法对等离子体参数的测定３０３式真空容器直径１５００ｍｍ、长３０００ｍｍ，分为两段，１０００ｍｍ为玻璃钢电磁波辐射窗口，剩余部分为不锈钢结构，可以安装热沉及外热流加热装置，其内有一可行走的小车，可以装载试样。
真空获得由低温泵、机械泵和分子泵共同实现，在空载情况下可获得７．１×ｌＯ。
６Ｐａ。
鲁芝ｅ图３空间等离子体环境模拟设备示意图Ｆｉｇ．３１１１ｅｐｌａｓｍａｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｏｒ圈等离子体发生器是ＥＣＲ等离子体源，其原理是电子回旋共振，即气体分子中的电子在外加磁场作用下产生回旋，当回旋频率与外加微波频率相同时，将发生共振现象，气体分子中的电子吸收微波能量，从而电离工作气体形成等离子体。
２．２探针安置该系统使用７根探针来对等离子体进行测试，其中一根安置在ＥＣＲ等离子体源小真空室的上方，即Ｐ８（见图３），用来测量等离子体出口处的参数，另外６根如图４所示安装在容器内可移动小车上。
由于在大真空室中等离子体温度和密度是轴向对称的，因此通过Ｐ２～Ｐ６探针的测量数值，就可以得知容器截面某个位置径向上的等离子体分布，然后轴向上移动小车，就可以得到等离子体参数的空间分布。
图４静电探针的布置Ｆｉｇ．４ＴｈｅｐｌａｃｅｏｆＬａｎｇｍｕｉｒｐＤｏｂｅｓ３用静电探针法对等离子体参数的测定试验中以氩气作为产生等离子体的气源，在产生的氩等离子体中，除了存在大量的氩分子和电子的激发碰撞外，还存在着与电子的碰撞电离：Ａｒ＋ｅ专Ａｒ＋＋２ｅ，离子的主要成分是Ａｒ＋，离子质量数ｍ＝３９．９５。
３．１运行气压对等离子体密度的影响从图５可以看出，如果微波功率固定，随着气体流量增加，试验容器内气压变大，真空度降低。
等离子体密度与气体流量的关系如图６所示，可以看出，对于某一微波功率，存在一个最佳工作气压，在这个气压下，等离子体密度最大。
在环境气压到达这个最佳气压值之前，等离子体密度大体上随环境气压的增加而增加，环境气压超过最佳气压值之后，等离子体密度则逐渐降低。
等离子体旋转速度的测量方式——马赫探针
等离子体旋转速度的测量方式——马赫探针3.1静电探针原理静电探针在高温等离子研究中是一种常用也是十分有用的诊断工具。
静电探针结构简单故比较容易制作，使用的方法比较灵活且拥有较好的空间分辨能力，最早被用来测定等离子体参数，包括等离子体密度、电子温度、悬浮电位、空间电位、速度分布及其涨落等。
静电探针的悬浮电位和饱和流的涨落信号可以研究等离子体流速和湍流输运，是进行等离子体诊断的重要手段[3]。
静电探针需直接伸入等离子体中进行直接接触测量，不可避免会影响局部等离子体的状态，因此探针的设计前提必须是足够小，把对等离子体的扰动降得尽可能低。
即便如此，静电探针仍然会也一定程度上改变了测量位置附近的等离子体原始状态，因此要获得比较准确的实验结果，还需要对获得的实验信号按照不同情况进行滤波与修正。
Langmuir 和Mott-Smith 在1926年提出了这种圆柱形金属探针[4]，并详细介绍了其工作原理。
MARTIN HUDIS 和L.M.LIDSKY 在1970年提出了Directional Langmuir Probe [5]，进一步完善了探针的理论。
N.Hershkowitz 对探针的理论在不同的条件下进行了总结[6],不过在简单的条件下，可以对探针的伏安特性曲线给出比较明晰的解释，从而得到等离子体的电子密度e H 、电子温度e T 、空间电位p V 及悬浮电位f V 等重要参数。
这里的简单条件是：① 等离子体是无限均匀的，并且处处满足准中性条件；② 不存在磁场，即0B =;③ 等离子体是稀薄的，电子和离子的平均碰撞自由程e λ、i λ远大于探针尺寸R ，即1e R λ和1i R λ ④探针的尺寸和鞘层厚度相比较，鞘层厚度要远小于探针的尺寸，即1D R λ;⑤鞘层以外的等离子体不受探针干扰，即鞘外粒子速度分布函数满足麦克斯韦分布，且离子温度远小于电子温度；⑥电子和离子打到探针表面被完全吸收，即探针表面是纯吸收体，次级电子的发射可忽略或者无次级电子发射；⑦探针表面为无限大平面，平面探针的边缘效应可以忽略。
等离子体诊断技术----探针测量共26页文档
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 4
Ne
8kTe me
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
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：
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。
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
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 Vp 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 场域力Ⅳ的作：用当而探依针靠电它位们V p自满己足的V热p 运 动Vs时能，量所到有达电探子针将，不这受时电探
np neo nio 1.653 /eAp
物理实验技术中的等离子体参数测量与数据处理
物理实验技术中的等离子体参数测量与数据处理等离子体是一种高度电离的气体，由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成。
它具有独特的物理性质，在工业和科学研究中有广泛的应用。
而为了更好地理解和利用等离子体，我们需要准确测量和处理其参数。
本文将探讨物理实验技术中的等离子体参数测量与数据处理的一些方法和技巧。
一、等离子体参数的测量方法1. Langmuir探针Langmuir探针是最常用的等离子体参数测量工具之一。
它通过测量电子在等离子体中的运动状态，来获取等离子体的电子浓度、电子温度等参数。
在测量过程中，探针被放置在等离子体中，电子与探针表面发生碰撞，从而改变了探针表面的电势，通过感应电路可以得到相关的电流和电压信号，进而确定等离子体的参数。
2. 密度折射仪密度折射仪是一种测量等离子体密度和折射率的常用仪器。
它利用等离子体中的电子与光子发生相互作用，通过测量光传播过程中的折射率变化，来确定等离子体的密度。
密度折射仪的核心部分是一束经过偏振处理的光，当光通过等离子体时，由于电子的影响，光的传播速度和折射率会发生变化，通过测量光的偏振状态变化，可以计算得到等离子体的密度。
二、数据处理与结果分析在获得等离子体参数的测量数据后，我们需要进行有效的数据处理和结果分析，以获得更准确和可靠的实验结果。
1. 数据清理首先，对测量数据进行清理和修正，排除由于仪器噪声和实验环境因素引起的干扰。
这可以通过滤波和平均等处理方法来实现。
2. 参数计算根据不同的测量方法和实验手段，可以得到等离子体的不同参数，比如电子密度、温度、折射率等。
在数据处理过程中，我们可以利用统计学方法和相关理论模型，对测量数据进行计算和分析，以获得对等离子体参数的最优估计。
3. 结果验证为了验证实验结果的可靠性和准确性，我们可以进行进一步的实验和分析。
比如，可以采用不同的测量方法和仪器，或者进行多次重复实验，以检验测量结果的一致性和稳定性。
三、等离子体参数测量中的挑战与解决方案在实际的等离子体参数测量中，我们可能会面临一些挑战和困难，如信号噪声、仪器误差和实验环境干扰等。
等离子体诊断技术----探针测量
100cm3~1014/cm3 0.1eV~几百ev 0.1keV~几个keV
可编辑ppt
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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。
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
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
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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
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）
粒子测量 质谱
可编粒辑子pp种t 类和密度
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1.4实验的可靠性和误差
误差 偶然误差
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。
双探针结构示意图
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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
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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
探针法对比光谱法的等离子体参数测量
探针法对比光谱法的等离子体参数测量0730******* 黄志鸿摘要：DH2005型直流辉光等离子体实验装置被广泛用于等离子体参数测量的教学实验。
本文利用郎缪尔探针法测量了等离子体的电子温度，分析了压强、功率对等离子体电子温度的影响。
并且在此基础上利用改变双探针对于等离子体相对位置的方法实现了利用此实验装置双探针测量等离子体横向各唯象结构相对参数，并且对比光谱法测量结果，提出自动化测量的实验方案。
关键词：等离子体郎缪尔探针光谱自动化1.引言等离子体（plasma），一种由电子和带电离子为主要成分组成的物质形态，整体呈电中性。
宇宙中大部分物质是以等离子体的形式存在的，故等离子体常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。
2.郎缪尔探针法测量等离子体的电子温度。
Langmuir 探针基本上可以认为是一根插入等离子体中的裸丝，与物理学中其他的“探针”相似，如“试探电荷”等等。
一般要求这种探针对其所要测量的物理参量不会有较大的影响，但实际上，任何形式的测量都是对环境参量的一种改变。
Langmuir 探针发挥作用的原理就在于其对周边局部环境的改变。
由动量守恒定律，等离子体中质量远大于电子的离子，在速度上远小于电子，所以在极短时间内，探针上会积累相当数量的负电荷。
从而使探针上电位与未受探针干扰的等离子体的电势为负值。
这样的电势吸引正电荷，排斥负电荷，从而在探针表面形成了一个正的空间电荷层，称为离子鞘。
离子鞘进一步增厚直至最终进入探针表面的正离子电流与电子电流的大小相等。
此时探针的净电流为零，但这种体系是一种“动平衡”就像一个蓄水池一样，一根水管进入，一根水管流出，而总水量是不变的。
这个鞘层是探针的“势力范围”，其内部所有的电子都会参与形成电流，当探针电压增大时，单位时间内有更多的电子被吸附到探针上，如果我们假设鞘层厚度不变，那么当探针电压增大到一定程度时，鞘层内部电荷是有限的，全部被吸附后，就不能继续增大，即出现了饱和电流。
等离子体技术以应用-2-2-静电探针法(朗谬尔探针)解读
（一）静电单探针的使用条件及其伏安特性 使用单探针的条件如下： (1 ）被测空间是电中性的等离子体空间，电子浓 度ne和正离子浓度 ni相等，电子与正离子的速度满足麦 克斯韦速度分布，它们的温度分别为Te和Ti； (2 ）探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面 积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探 针的面积相等； (3 ）电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度 λD 大， 这样就可忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激 发和电离； (4）探针材料与气体不发生化学反应； (5）探针表面没有热电子和次级电子的发射。
2.2.5等离子体状态（诊断）
静电探针法(朗谬尔探针)测量电子温 度，离子密度
主要是测量等离子体电位或探针电流 和加到探针上的电压间关系来计算。（增 加：P65）
单探针
双探针
三探针
静电探针测量等离子体参量的方法是郎缪尔 (Langmuir ） 1924 年提出的。此方法测量探针的伏安特性，再依次推算出有 关等离子体的电子温度、浓度、能量分布和空间电位。 虽然探针的插入对等离子体有扰动，但扰动的范围只有几 个德拜长度，所以有一定的空间分辨能力，因此还可移动探针 在等离子体中的位置，藉以获得等离子体电子浓度、电位的空 间分布。 此外，探针结构简单、使用方便，因此是研究低温等离子 体的重要工具。本节介绍探针的测量条件、原理及其应用。
图3.5是理想的双探针伏安特性。纵轴是双探针回 路的电流Id，横轴是两支探针之间的电压Ud。为了与 单探针伏安特性比较，我们假定探针P2为参考电极， 曲线的左半部分是探针P1接收的离子流，相当于单探 针伏安特性的离子饱和区。曲线的右半部分相对原点， 具有与左半部分对称的形状，实际上它是探针P2接收 的离子流，因此双探针伏安特性测不出电子的饱和电 流。下面我们对这个问题进行分析。
等离子体参数测量的实验步骤
等离子体参数测量的实验步骤等离子体参数测量是研究等离子体物理特性和实现等离子体控制的重要手段之一。
本文将介绍等离子体参数测量的实验步骤。
一、等离子体参数测量的背景与意义在等离子体物理研究和应用中，了解等离子体的基本参数是非常重要的。
等离子体参数包括等离子体密度，温度，电荷态和等离子体的空间尺度等。
测量等离子体参数有助于深入了解等离子体行为和性质，对等离子体在聚变、等离子体技术和空间科学等领域的应用具有重要意义。
二、实验仪器和设备的准备在进行等离子体参数测量实验前，需要准备实验所需的仪器和设备。
主要的设备包括等离子体装置，测量仪器以及数据采集与处理系统等。
确保这些设备和仪器在工作状态下，以保证实验的顺利进行。
三、等离子体密度测量1. 电子密度测量电子密度是等离子体中电子数目的度量，可以通过激光干涉仪或微波干涉仪进行测量。
在测量前，需将激光干涉仪或微波干涉仪校准至稳定状态，并确保等离子体装置中的等离子体处于稳态工作状态。
实验中，激光束或微波信号被等离子体中的电子散射，通过测量散射光或回波信号的强度变化，可以计算得到等离子体中的电子密度。
2. 离子密度测量离子密度是等离子体中离子数目的度量，可以通过电测探针或固定探头电导率测量仪进行测量。
在测量前，需将电测探针或测量仪校准至稳定状态，并依据等离子体的性质选择合适的探针尺寸和参数。
实验中，将电测探针或测量仪放入等离子体中，测量电流或电导率的变化，通过计算可以得到等离子体中的离子密度。
四、等离子体温度测量等离子体温度是等离子体热运动的度量，可以通过测量等离子体中的电子或离子的能谱进行测量。
测量等离子体温度的常用装置包括扫描电子能谱仪和弹性后撤散射诊断系统。
在进行测量前，需将测量仪器校准至稳定状态，并确保等离子体发生器件处于合适的工作状态。
实验中，测量仪器通过测量能谱的形状、峰值的位置和宽度等参数，计算得到等离子体中的温度。
五、等离子体电荷态测量等离子体电荷态是指等离子体中带电粒子的电荷状态，包括离子的电子数目和电子的电离态等。
12静电探针法测量气体放电等离子参数实验
静电探针法测量气体放电等离子参数实验一、实验目的1.了解等离子体的产生和有关参数的物理意义2.采用静电探针法测量气体放电等离子体的电子温度和电子密度二、实验原理1.等离子体：是由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系，其集体行为是正负粒子和中性粒子构成的准中性气体，它是物质存在的第四状态（固体、液体、气体和等离子体）。
2.等离子体分类：低温等离子体（冷等离子体，如，极光、日光灯；热等离子提，如，电弧、碘钨灯）。
高温等离子体（如，核聚变、太阳核心）。
3.等离子体的粒子密度：是指单位体积内所含某种离子的数目。
等离子体内同时存在正离子，电子和中性粒子，n0为中性粒子密度，n i为正离子密度，n e为电子密度。
等离子体中带电粒子与中性粒子密度之比称为等离子体的电离度α=n i/n0或α=n e/n0。
4.等离子体温度：处于热平衡的体系对应一个确定的温度，对等离子体，热平衡的建立与离子密度、电离度以及外磁场有关，假定粒子的能量仅取决于平动不考虑转动等因素，则粒子能量与温度的关系E=3kT/2。
在等离子体中，通常分别表示不同带电粒子的温度（如离子温度T i和电子温度T e）。
5.气体放电等离子体模型(朗缪尔，Lanmuir1924)和静电探针法测量气体放电等离子参数实验装置：6.I-V特性曲线及电子温度和电子密度的计算(1)单探针诊断法(2)双探针诊断法单探针理想I-V曲线双探针原理图高压双探针理想I-V曲线单探针原理图高压电子温度：121201()e V I I e T I I k dI dV ++++==+，I 1+和I 2+分别是饱和离子流。
电子密度：122()e e eI m n Ae kT ++=，I +e 是饱和离子流，A 是探针面积，m +是离子质量T e 是电子温度。
三、实验过程及操作流程1. 开机前准备：关断仪器所有电源开关，按以下步骤2、4模拟开机和关机过程。
2. 开机：(1) 将真空阀门“F1”和“F2”缓慢右旋使之处于“关”；真空泵开关“V ”及“电源”处于下方的“关”；“放电”及“探针”调节旋钮逆时针旋转至“零”。
静电探针在高频等离子体风洞中的应用
静电探针在高频等离子体风洞中的应用潘德贤;蒋刚;王国林;马昊军;刘丽萍;罗杰【摘要】为了在高频等离子体风洞上开展高超声速飞行器等离子体鞘层的电磁特性研究，研制了一套适用于高频等离子体风洞测试环境的静电探针诊断系统，这是国内第一次采用静电探针对高频等离子体风洞的流场参数进行诊断。
该系统具有偏置电压可调、抗干扰能力强、探针性能稳定、高速数据采集等特点。
采用该系统对高频等离子体风洞在不同运行功率、不同气体流量下流场核心区域的电子数密度进行了诊断，对相同运行功率和相同流量条件下流场电子数密度沿射流径向的分布进行了测试，并研究了电子数密度随高频等离子体风洞运行功率和气体流量的变化规律。
并将诊断结果与网络分析仪微波测量法的数据进行了比对。
结果表明，该系统可以很好地满足风洞流场参数的诊断，能够为风洞流场数值建模以及等离子体鞘层电磁特性研究提供可靠的数据支撑。
%In order to study the electromagnetic characteristics of the plasma sheath around hypersonic aircraft in High-Frequency Plasma Wind Tunnel,a new Langmuir probe system has been developed in this paper.High-Frequency Plasma Wind Tunnel is ideal facility for the re-search of electromagnetic characteristics of the plasma sheath,and electron density,electron tem-perature and their distribution is very important to the researching test.In this probe system,the high performance molybdenum probe and adjustable power device have been manufactured.By this probe system,the test principle and data processing method are discussed,the electron densi-ty and its change rule of core area for wind tunnel with different operating power and different gas flux are measured.At the same time,the electron density radial distribution ismeasured with the same operating power and gas flux.Moreover,the test results have been compared with the mi-crowave means data.It shows that this electrostatic probe system can meet diagnostics of flow field parameters in high frequency plasma wind tunnel well,and can provide reliable data to sup-port the numerical simulation of wind tunnel flow field and electromagnetic characteristics study of plasma sheath.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P72-77)【关键词】静电探针;高频等离子体风洞;电子密度;流场诊断;电磁特性【作者】潘德贤;蒋刚;王国林;马昊军;刘丽萍;罗杰【作者单位】四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065; 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000;四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065;中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000;中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000;四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065; 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】O536在高超声速飞行条件下，飞行器周围高温气体产生了强烈的振动、离解和电离，形成了等离子体鞘层［1］。
近代物理实验 辉光等离子体
所以：
故：
大致I-V函数关系曲线见下图：
由此可知：电子温度：
等离子体密度：
注：
图11、理想双探针曲线
三、实验仪器：
DH2005直流辉光等离子体实验装置：仪器采用的是一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘防止漏电，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝，可利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。测量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空系统安装在机箱的内部。
2、数据采集较多，且气压电流等漂移较快所以使得数据非常不稳定。
3、实验中还发现功率越大辉光放电现象明显，气体被电离的程度较高。
(2)、探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探针的面积相等；
(3)、电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度大，这样可忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激发和电离；
(4)、探针材料与气体不发生化学反应；
(5)、探针表面没有热电子和次级电子的发射。
则：对于插入等离子体的单探针有：
随机电流： ，
根据玻耳兹曼定理：
电子密度
式中：Vp为探针电位，Vs为等离子体电位
所以：探针电流
而对于插入等离子体的双探针有：
设探针的面积分别为A1,A2；电位为 V1,V2；电压V=V1-V2≥0。
流过探针1，2的离子和电子电流分别为：i1+，i1-，i2+，i2-。
对双探针整体为悬浮的故：
则从2流入1的Biblioteka 流为：粒子震荡频率：电子震荡频率：
d:德拜长度：等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体内能保持的最小尺度。当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电荷的“鞘层”。
静电离子探针在气体放电磁化等离子体参数测量中的应用
静电离子探针在气体放电磁化等离子体参数测量中的应用潘阁生;王成;万树德;闻一之;俞昌旋;周立永;王之江
【期刊名称】《真空科学与技术》
【年(卷),期】2001(21)2
【摘要】为测量气体放电磁化等离子体离子参数 ,建立了一套静电离子探针诊断系统 ,进行了从近芯部到边缘区的离子温度分布的测量。
【总页数】4页(P116-119)
【关键词】气体放电;磁化等离子体;静电离子探针;离子参数;参数测量
【作者】潘阁生;王成;万树德;闻一之;俞昌旋;周立永;王之江
【作者单位】中国科学技术大学近代物理系
【正文语种】中文
【中图分类】O536;TL65
【相关文献】
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电弧加热发动机喷出等离子体静电单探针测量
电弧加热发动机喷出等离子体静电单探针测量
何艳;汤海滨;张尊
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2011(32)6
【摘要】应用静电单探针测量了kW级电弧加热发动机喷出等离子体参数分布。
发动机以氮气为推进剂,测量范围为距离发动机喷口1.25～15cm,实验中真空舱压力为3～5Pa。
实验获得了电子温度和电子数密度沿不同轴向位置和径向位置的变化规律,电子温度为0.4～0.8eV,电子数密度为1.2×1017～1.25×1018m-3。
对比研究发现,N2为推进剂产生的等离子体的电子温度和电子数密度均大于N2-H2为推进剂的情况,但前者发散角较小。
【总页数】6页(P889-894)
【作者】何艳;汤海滨;张尊
【作者单位】北京航空航天大学宇航学院
【正文语种】中文
【中图分类】V439
【相关文献】
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静电探针测量射频感应耦合等离子体密度
静电探针测量射频感应耦合等离子体密度
曹小明;顾彪;等
【期刊名称】《实用测试技术》
【年(卷),期】1999(025)004
【摘要】本文介绍了一种可以测量射频感应耦合等离子体密度的静电探针方法，并给出了它的测量原理，实验方法和实验结果。
实验结果表明：所测等离子体密度反映了等离子体的特性，并且诊断手段简单、易行，为等离子体诊断提供了一种很好的实验手段。
【总页数】3页(P35-37)
【作者】曹小明;顾彪;等
【作者单位】中科院沈阳金属所，沈阳110015;大连理工大学电磁系，大连116023
【正文语种】中文
【中图分类】O536
【相关文献】
1.微波共振探针在测量等离子体密度中的应用 [J], 曹金祥
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第５期贾瑞金等：静电探针法对等离子体参数的测定３０３
式真空容器直径１５００ｍｍ、长３０００ｍｍ，分为两段，１０００ｍｍ为玻璃钢电磁波辐射窗口，剩余部分为不锈钢结构，可以安装热沉及外热流加热装置，其内有一可行走的小车，可以装载试样。
真空获得由低温泵、机械泵和分子泵共同实现，在空载情况下可获得７．１×ｌＯ。
６Ｐａ。
鲁
芝
ｅ
图３空间等离子体环境模拟设备示意图
Ｆｉｇ．３１１１ｅｐｌａｓｍａｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｏｒ
圈
等离子体发生器是ＥＣＲ等离子体源，其原理是电子回旋共振，即气体分子中的电子在外加磁场作用下产生回旋，当回旋频率与外加微波频率相同时，将发生共振现象，气体分子中的电子吸收微波能量，从而电离工作气体形成等离子体。
２．２探针安置
该系统使用７根探针来对等离子体进行测试，其中一根安置在ＥＣＲ等离子体源小真空室的上方，即Ｐ８（见图３），用来测量等离子体出口处的参数，另外６根如图４所示安装在容器内可移动小车上。
由于在大真空室中等离子体温度和密度是轴向对称的，因此通过Ｐ２～Ｐ６探针的测量数值，就可以得知容器截面某个位置径向上的等离子体分布，然后轴向上移动小车，就可以得到等离子体参数的空间分布。
图４静电探针的布置
Ｆｉｇ．４ＴｈｅｐｌａｃｅｏｆＬａｎｇｍｕｉｒｐＤｏｂｅｓ３用静电探针法对等离子体参数的测定试验中以氩气作为产生等离子体的气源，在产生的氩等离子体中，除了存在大量的氩分子和电子的激发碰撞外，还存在着与电子的碰撞电离：
Ａｒ＋ｅ专Ａｒ＋＋２ｅ，
离子的主要成分是Ａｒ＋，离子质量数ｍ＝３９．９５。
３．１运行气压对等离子体密度的影响
从图５可以看出，如果微波功率固定，随着气体流量增加，试验容器内气压变大，真空度降低。
等离子体密度与气体流量的关系如图６所示，可以看出，对于某一微波功率，存在一个最佳工作气压，在这个气压下，等离子体密度最大。
在环境气压到达这个最佳气压值之前，等离子体密度大体上随环境气压的增加而增加，环境气压超过最佳气压值之后，等离子体密度则逐渐降低。
图５试验容器内气压与气体流量的关系
Ｆｉｇ．５Ｔｈｅａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｖｓ．Ａｒｎｕｘ
图６等离子体密度与气体流量的关系
Ｆｉｇ．６Ｐｌａｓ瑾吼ｄｅｎｓｉ锣ｖｓ．Ａｒｆｌｕｘ
上述现象是由于气体电离需要一定的能量。
在极值点以前，随着气体流量的增加，电离的气体变多，等离子体密度变大。
到达等离子体密度
的极值点后，这时再增加气体流量，由于气压变
航天器环境工程２００６年第２３卷
大，电子平均自由程变短，电子在两次碰撞之间
不能有效吸收微波能量以直接碰撞电离气体分
子，从而造成等离子体密度随着气压增加反而呈
下降的趋势。
３．２微波功率对等离子体密度的影响
等离子体密度与微波功率的关系如图７所
示。
它表示氩气流量分别为２．０ｓｃｃｍ、４．０ｓｃｃｍ和
５．ｏｓｃｃｍ时试验容器内等离子体密度随微波功率图８等离子体密度空间分布
变化趋势。
从图中可以看出，在一定的环境气压Ｆｉｇ．８Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｏｎｄｅｎｓ埘
下增加微波功率，相应的等离子体密度会逐渐增图９是在试验容器内气压２．２×１０。
２Ｐａ，氩气加并趋向饱和。
在达到饱和状态后，等离子体密的气体流量３．０ｓｃｃｍ，微波功率５１Ｗ时等离子体度不再随微波功率的增大而有明显的增加。
这是
分布在３１０ｍｉｎ内的稳定性测试结果。
因为当气体流量一定时，增加微波功率，会增加
气体的电离度，使试验容器内的离子密度增加。
但是随着等离子体密度的增加，试验容器内的带
电粒子增多，导电性变强，对电磁波的透明度下
降，阻止微波电磁场进入电离气体，从而使离子
密度趋向饱和。
图７等离子体密度与微波功率的关系
Ｆｉｇ．７Ｐｌａｓｍａｄｅｎｓｉｔｙｖｓ．ｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｏｗｅｒ３．３试验容器内均匀性及稳定性测试
在试验容器内气压１．６×１０五Ｐａ、氩气体流量３．０ｓｃｃｍ、微波功率１００ｗ时，通过Ｐ２～Ｐ６探针测量试验容器内等离子体的径向密度分布，然后移动小车，测量轴向分布，最后得到等离子体密度空间分布如图８所示，可以看出，试验容器中等离子体密度径向分布比较均匀，在轴向距离等离子体源较近处的等离子体密度较大，随着与等离子体源的距离增加，密度变低，但变化幅度不大。
图９连续３１０ｍｉｎ测量的等离子体离子密度和电子温度的时间分布
Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐａｒｆｌｍｅｔｅｒｓｄｕｒｉｎｇ３１０ｍｉｎｕｔｅｓ
根据均匀度公式：
Ｕ＝±［（Ⅳｍａ。
一‰。
）／Ⅳ０】×１００％，（３）可以得知等离子体密度的不稳定性为７．９８％，电子温度的不稳定性为８．４７％。
其中：Ⅳ姒。
为等离子体密度（或温度）的最大值；‰。
为等离子体密度（或温度）的最小值；Ⅳａｖ为等离子体密度（或温度）的平均值。
４结论
由于无法直接测量等离子体，只能通过各种间接手段获得一些试验参数，再经过分析研究推断出等离子体内部比较真实的情况。
用静电探针方法很容易测定局部的等离子体密度和电子温度，本文就是应用这种方法进行对等离子体模拟环境的测量。
经过分析，我们得知等离子体密度与运行气
压及微波功率有着密切的关系，即对某一微波功。