气体放电等离子体

Vt Vt (V20 V10 ) Vt
'
，实际电流要变得稍大一些，
反映在图中如下：
V2 V1 间距变小，他们都将趋于 （２）当 Vt 减小时， VF 导致有 减小，且减小速度较快，曲线较陡 I 2 I1
，
V2 V1 VF ，探针间电压为零，此时电流为 当 Vt 0 时， 零，曲线交于横轴原点处。
V针 V阳 V
V针 VO VP
VO V阳 VR
VP V VR
下面是以 VP 为横坐标得到的 Ｖ — Ｉ曲线： （１）当 VP ＝０时，如图中Ｄ点， 这时探针电位与附近的等离子体电位 相同，他们中间不存在空间电荷壳层， 此时电子和离子作无规则热运动打到 探针表面而产生电流。 设流出探针的电流为正，流入为 负，因此，若电子碰撞产生电流 为 I eo ，离子碰撞产生电流为 Iio ， 则有： I 1 eN V S
（电压表读数），直至 Vt V10 V20 0 。此时 I 反映在图中如下：
' V 实际上，由于背底电压的存在，t 0，应继续减小 Vt
0 。
（３）当 Vt 继续减小时， V2 V1 ，两探针工作点发生变化：
同（１）的讨论相似，随着 Vt 的急剧减小， V2 急剧左移，而
V1 几乎不动，电流趋向于探针２的饱和离子流 I 2i 0 ，电流是
当外加电源使得这个电位差 VP 不等于 VF 时，就会有电 流Ｉ流过探针。由于我们无法直接测量探针相对于等离子体内 电位差 VP ，而只能测量探针相对于某一极（如阳极Ａ）的电 位差 V 。再假设等离子体内的电位相对于阳极的电位为VR， 则有如下关系式：
这是一种动态平衡，探针与附近等离子体的电位差也不 再改变，我们称其为“悬浮电位”。记为： VF
气体放电等离子体 单探针“Ｖ－Ｉ”曲线拟合 双探针“Ｖ－Ｉ”曲线的研 究
物理学院：焦利光
一：引言 等离子体是物质存在的第四状态由等量正负电荷离子和中 性粒子组成，整体呈现电中性，他广泛存在于大自然中。现 在，等离子体技术被广泛的应用于工程技术领域，例如：受 控热核反应、空间技术、电子工业、金属加工及广播通讯中。 因此，对等离子体特性的研究无论从理论上还是实践中都有 重要意义。 目前我们在实验上研究的是低温、高真空条件下氦气直流 辉光放电等离子体，要想了解电子温度和电子密度等重要信 息就要对其伏安特性进行测量，一般采用静电探针法。其又 可分为“单探针”和“双探针”两种。单探针法中，探针的 电压易破坏气体的放电状态，测量结果误差较大。而双探针 法的原理是在单探针的基础上实现的，因此要想深入的了解 双探针法，我们有必要先“搞懂”单探针法。
电路中：探针、等离子体、 电源三者构成一个回路，等离 子体流过探针２的电流必然准 确的等于由探针１流出而达到 等离子体的电流。即：I I
2 1
V2 V1 Vt 设： （１）当Vt 0 且较大时，有 V2 V1 ，为了保证电 流大小相等方向相反，两探针应分别工作与下图所示的 区域中。
二：单探针法 静电探针的结构十分简单，就是一根细的金属丝，除端 点工作部分外，其他都套上绝缘套。测量线路如图所示： 刚开始探针未加电压， 等离子体内电子的平均热运 动速度远大于正离子的速度， 因而在单位时间内打在探针 表面上的电子数目远大于离 子数，探针表面累计起了负 电荷，电位相对于附近未被 扰动的等离子体电位的差为 负值。这个负电位排斥电子 吸收离子，使电子电流变小， 离子电流变大，最后单位时 间进入探针表面的正电荷数 等于负电子数，探针电流为 零。
我们改变放电管极性，测量“Ｖ — Ｉ”曲线如下图所示：
k1 k2
k1' k2'
'
k1 k2
Vo 0
k2 k
Vo' 0
' V 至于 o Vo 主要是改变放电极性
' 1
后，两探针距阳极距离发生了变 化，背底电压绝对值之差发生了 变化，这是完全可以理解的。
五：实验感想 由于我们得到的是“非中心对称”的“不完美”理论曲线， 这就促使我们将仪器进行改进，试图得到“中心对称”理论 曲线。 I1i 0 A1 首先：将背底差电压去掉； I 2i 0 A2 其次：由于探针表面积不等，有 曲线左右不等， 我们可以改变探针。如下图所示：
流入探针２，因此为负值。
I2 I1 I2i 0
变化也是较为平缓。
同样由于背底电压的存在，探针间实际电压差要稍小一 ' 些，即：Vt Vt (V20 V10 ) Vt 。实际电流绝对值要 稍小些，曲线上抬。
至此，我们已拟合处双探针的“Ｖ — Ｉ”曲线和 它的大致走向，下面我们从实验角度来验证。
I I eo 2.5 10
14
Ne Se kTe
I e I eo exp(
eVp kTe
)
) I io
I I e Iio I eo exp(
eVp kTe
（４）当VP VF 时，如图中Ｂ点探针电流为零，探针处于 悬浮状态，原因我们已在前面讨论过了，不再叙述。应有：
eo
1 I io eN i Vi Si 4
4
e
e
e
I Ieo Iio 0
（只代表大小）
Ve
Vi Ieo
Iio
（２）当 VP >０时，如图中E点，此时探针电位远远高 于附近等离子体的电位，正离子受到排斥，打到探针上 的离子电流将趋于零，负电子受到吸引，而在探针周围 形成一层“电子壳层”，探针电流Ｉ约等于电子电流 I eo （３）当 VF VP 0 时，如图中Ｃ点，探针电流为 电子电流和离子电流之和，但由于电子要克服探针表 面的负电位才能达到探针表面，因而电子电流将随着 负电位绝对值的增大而减小，变化规律为：
I e I eo exp(
（５）当V
P
eVp kTe
) Iio
VF 时，如图中Ａ点，
探针电位很低，几乎所有的电子都受 到排斥，电子电流趋向于零，正离子 受到强烈的吸引，因而在其附近形成 一个“离子鞘层”，收集全部飞向探 针的正离子，探针电流等于饱和离子 Iio 流 14 io i i
I I 2.5 10 N S kTe
不过由于断面面积较小，实验中电流可能会较小，这 可以是用粗探针来避免。
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“探针模型”的进一步简化
感谢这半年来所有实验老 师对我们的帮助 感谢大家能在百忙之中抽出 时间参加这次论文报告会
谢谢
声明：电流表测量的是流出２的电流。因此应同
I 2 一样。
随着 V 的增大２处曲线较陡，１处曲线平缓，因此为保证 t 共同的电流增量 I ，必须得有很小的 V2 （几乎不动）， ' ' ' V Vt 的增大主要由 V1 V V V 和很大的 1 ，此时： t 。 2 1 的减小来贡献，这样的结果使得 I1 趋向于 I1i 0 （饱和离子 流）。即： I 2 I1 I1i 0 。且变化较为平缓。 实际上等离子体内部有背底偏压： V20 V10 0 ，所 以探针１、２间的实际电压差要高于 Vt ，即：
四：实验验证 经以上推测，可得知双探针的“Ｖ — Ｉ”曲线理论 图与实验图应该如下：
多次试验曲线图也证实了我们的推测是正确的。
我们还可以从另外一个角度来证明：由推导过程我们可知，实验曲 线的三个特点： （１）横轴交点处 V 0 。 （２） V 0 部分曲线斜率较大。 （３） V 0 部分曲线斜率较小。 这三个特点全部是由于探针所在部位的等离子体电位差，即背底电 压 V20 V10 0 造成的。 因此，若我们将背底电压反转： V20 V10 0 ，则曲线会向相反方 向变化： （１）横轴交点处 V 0 。 （２） V 0 部分曲线斜率较小。 （３） V 0 部分曲线斜率较大。
至此，我们已明白了单探针的特性曲线变化规律了。
三：用单探针 Ｖ — Ｉ曲线拟合双探针Ｖ — Ｉ曲线 双探针法是在气体等离子放电管的靠近阳极附近放置两 个悬浮的探针，调节两探针之间的电压，从测得放电管处于 稳定状态下的伏安特性曲线，即可推出电子温度和电子密度 等重要信息。测量装置如图所示： 假设我们在此之前已得到两 个探针分别作为单探针时的 Ｖ — Ｉ特性曲线。