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。

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