等离子体诊断技术----探针测量共26页文档
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
等离子体诊断
一. 帕邢定律表述：在一定气压范围内，气体击穿电压VB 是气压 p 和极间距离 d 乘积的函数，并有 极小值。
空气放电帕邢曲线
长程选择击穿
影响击穿电压的主要因素：
1）pd 值 2）杂质气体 3）电极材料及表面状态 4）电场分布（电极结构和极性） 5）外界电离源
二. Langmuir单探针工作原理
调节电位器可使探 针 的 电 位 由 -45V 变 到 +45V 。 对 应 探 针 电位由负变到正的 每一个电位值,记录 下相应的流过探针 的电流值。即可得 探针I-V特性曲线。
§2.2 质谱法
把等离子体中的物种直接导入质量分析仪，通过质量分离 测定质谱，可以确定粒子的种类。这种诊断方法叫质谱法
T 绝对温度 ( °K)
Wi 气体分子（原子）电离电位 ( eV) k Boltzman常数 (8.614×10-5 eV•deg-1)
电离度
常压热平衡条件下氮等离子体的
电离度 随温度的变化
T ( °K )
300 5,000 10,000 15,000 20,000
10 -122 3.2×10 - 7
常规质谱： 只能测量低气压下活性物种， 高气压下只能分析稳定物种
分子束质谱：可对较高气压等离子体中的 活性物种进行诊断
四极滤质器原理示意图
Ion current (arb.u.)
10 8 6 4 2 0 6
CH4 介质阻挡放电阳离子的分子束质谱图
+
10 14 18 22 26 30 34 m/e
1091012 50 10000
<106
等离子体物理中的等离子体诊断技术
等离子体物理中的等离子体诊断技术等离子体是一种高度电离的气体，它具有复杂的性质和行为。
在等离子体物理研究中，准确测量和分析等离子体参数是至关重要的。
等离子体诊断技术提供了一系列工具和方法，用于探测和研究等离子体的性质和行为。
本文将介绍几种常用的等离子体诊断技术，并探讨它们在等离子体物理研究中的应用。
一、光谱诊断技术光谱诊断技术是一种通过测量等离子体辐射光谱来获取等离子体参数的方法。
利用光谱仪和光电探测器，可以获取等离子体中的电子密度、温度、离子浓度等信息。
其中，基于精确测量等离子体辐射谱线强度和形状的方法，如测量波长位移和线宽等，可以获得等离子体的流体参数，并进一步研究等离子体的动力学行为。
二、散射诊断技术散射诊断技术是一种通过测量等离子体中散射光的性质来推断等离子体参数的方法。
通过测量等离子体中的散射光的强度、偏振和波长等，可以推算出等离子体中的粒子密度、温度、流动速度等信息。
其中，拉曼散射和汤姆逊散射是常用的等离子体诊断技术，可以用来研究等离子体的密度梯度、流体运动以及离子温度等。
三、探针诊断技术探针诊断技术是一种通过测量等离子体中的电子或离子电流来推断等离子体参数的方法。
利用探头与等离子体相互作用，可以测量电子温度、电子密度、离子密度等参数。
常用的探针诊断技术包括电子探针和离子探针。
电子探针通过测量电子引出电流和电压的关系，可以得到等离子体的电子温度和电子密度。
离子探针则通过测量离子引出电流和电压的关系，可以获得等离子体的离子密度。
四、辐射诊断技术辐射诊断技术是一种通过测量等离子体辐射强度和能谱来推断等离子体参数的方法。
辐射诊断技术可以提供等离子体的电子温度、电子密度、离子浓度以及辐射湮没通量等信息。
常用的辐射诊断技术包括软X射线诊断、硬X射线诊断、γ射线诊断等。
这些技术可以用于研究等离子体中的能量输运、等离子体的辐射特性以及等离子体与壁面相互作用等。
综上所述，等离子体诊断技术在等离子体物理研究中起着重要的作用。
等离子体诊断
两信号的离散Fourier变换
X 1 (nf
)
1 N
N1 ~x1 (lt) exp( 2nf
l 1
lt)
X 2 (nf
)
1 N
N 1 ~x2 (lt) exp( 2nf
l 1
lt)
信号１的自功率谱
P11 (
f
)
X1(
f
)
X
* 1
(
f
)
两信号的互功率谱
→电场及其涨落 E,δ E Mach探针→环向流速 Vφ
Caltech装置上的探针列
涨落水平的分析
对平稳随机场：
x(t) x ~x(t)
(x(t) x)2
~x N N
互相关函数
(x(t) x)( y(t) y)
(~x, ~y) N N
RMS fluctuation level T , ( V ) relative fluctuation level ep
湍流驱动粒子流和能流
粒子流
r r (t) n~ev~r n~eE~ BT
能流
Qr Qconv Qcond
3 2
Tj
n~j E~
BT
3 2
nj
T~j E~
BT
Q ( 104 W m-2 )
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 30 25 20 15 10
微波偏振仪测涨落
frequency (kHz)
100 80 60 40 20
STND
X = 6 cm
12
15
18
time ( ms)
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。
Langmuir探针测量低温等离子体参数特性实验
实
验
室
研
究
与
探
索
V ol .29 N o.3 M ar . 2010
R ESEA RC H A N D EXPLO R A TIO N IN LA B O R A TO R Y
�等 离 子 体 参 数 特 性 实 验
［13］
asm a， ， 等 离子 体 源 自 希 腊 语 p l 原 意 为" 血 浆 " 是 由 离子 , 电子 , 及 中性 粒子组 成的 准电 中性 气体 . 它 的 主 要物 理参 数有 等离子 体密 度 , 电子 温度 T e , 离子轰
收 稿 日 期 : 2009 - 04 - 12 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助项 目 ( 105 7 5 039 ) ; 教 育 部 高 校 博 士 点 专 项 科 研 资 助 项 目 ( 200405 7 4008 ) ; 广 东 省 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 ( 05 1005 34 ) 2-)， 作 者 简 介 : 符 斯 列 ( 197 男， 海南临高人， 博士， 讲师， 目前从事 低温等离子体技术以及应用研究. Tel . : 135 38 7 6 48 66 ; Em ai l :f usl @ sc n u.ed u .cn
E P
D L
FU S - ， CH EN J -
L P
-
( Sc hool ofP hysi c s an d C om m un i c at i on En gi n ee r i n g，Sout h C hi n a Nor m alU n i v er si t y，G uan gzhou 5 1 0006 ，C hi n a) A : The exp e r i me nt alp r i nc i pl e an d m e t hod of Lan gm ui rp r obe m easur e me n tof p l asm a c har ac t e r i st i c p ar am e t er s
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。
辉光放电等离子体诊断
(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： ，Байду номын сангаас
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。
c:等离子体频率：表示等离子体对电中性破坏的反应快慢，是等离子体震荡这种集体效应的频率为。
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”。
德拜长度：
2、等离子体参数的静电探针诊断原理
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的电流为：
，
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
1、总电源开关2、冷却水电源开关3、真空泵电源开关4、电阻真空计开关5、高压电源开关6、探针电源7、高压调节旋钮8、高真空微调阀9、隔膜阀调节旋钮10、工作选择开11、电流量程选择开关12、探针电压调节电位器(粗调) 13、探针电压调节电位器（细调）14、放电管电压测量表15、辉光电流测量表16、击穿电压测量表17、暗电流测量表18、探针电压表19、探针电流表20、电阻真空计21、转子流量计22、总电源指示灯
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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
kTe mi
⑾
综上所述，通过双探针能测量的等离子体参数有：电子温度 和等离子体密度（准确的说是离子密度）。
谢谢！
26
dI io 2 dVD
0
所以有：
dI D dVD
e (I D kTe
Iio1)(Iio2 I D ) Iio1 Iio 2
⑺
当ID=0时，有：
dI D dVD
|ID 0
e kTe
Iio1 Iio 2 Iio1 Iio 2
⑻
其中 Iio1 Iio2 Iio
所以有：
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
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
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。
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
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）
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。
Ve
cos
dN e(v 4
e
)
2
sin
d
⑥
其中，dN e(ve ) v 为打在探针上的，速度为 e dve
范围内的电子密度。
假设电子速度分布符合麦克斯韦分布，则有
dN e(ve )
4v
e
2(
me 2kTe
)3
/
2
exp(
meve 2 2kTe
)dv
e
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
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 即为正离子的饱和电流。
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
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所在局域等离子体参数一致，将⑶式和⑷式相除得：
Ie1 Ie2
exp[eVD ] kTe
⑸
对⑸式两边取对数，再对VD求微商：
1 dIe1 Ie1 dVD
1
Ie2
dI e 2 dVD
e kTe
⑹
并且：
Ie1 I D Iio1
Ie2 Iio2 I D
dI io 1 dVD
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
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
N e N 0e kTe
①
其中
V Vs Vp
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 N e—电子密度 N 0—中性原子密度 kT —电子温度
Ie1
1 4
ene1
v1
Ap1
exp(eVp1 ) kTe1
⑶
Ie2
1 4
ene 2
v2
Ap 2
exp(eVp 2 ) kTe 2
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，v1 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
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
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 远红外激光干 涉 微波干涉 激光荧光光谱
电子温度 电子密度
电子温度、电子密度 原子密度、离子密度
探针的饱和电子流为：
ioi 0.4N i
2kTe Ae mi
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：
dI D dVD
|ID 0
eI io 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
2
dVD dI D
|I D 0
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：
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。