等离子体诊断技术----探针测量

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 等离子体温度 等离子体电位Vp
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
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 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 电域场Ⅳ力的：作当用探而针依电靠位它V p们满自足己V的p 热 V运s 动能时量，到所达有探电针子，将这不时受
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： ①
eV
N e N 0e kTe
V Vs Vp
其中
②
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
当探针电压为V时，探针上的电子电流为
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 I e
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
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
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。
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
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 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
探针测量
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）
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
• 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
• 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。
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
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
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。
通常偶然误差 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。
随机偶然误差 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
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
eV
ie
i e kTe eo
③
ieo
其中， 为最大电子电流
(1)求T eபைடு நூலகம்达式 对③式两边取对数，有
• 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
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 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。
系统误差
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。