等离子体诊断技术 探针测量
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利用发射探针测量预鞘区等离子体空间电位课件
预鞘区等离子体空间电位测量的重要性
了解等离子体特性
通过测量预鞘区等离子体的空间 电位，可以深入了解该区域的等 离子体特性，如电子密度、电场
强度、流场分布等。
控制等离子体行为
预鞘区等离子体的空间电位对等 离子体的行为具有重要的影响， 通过测量空间电位可以更好地控
制和优化等离子体的行为。
应用价值
在磁约束核聚变、空间物理和工 业应用等领域中，预鞘区等离子 体空间电位的测量具有重要的应
发射探针通常由金属针、绝缘层和电流计组成，金属针用于 吸附带电粒子，绝缘层用于隔离金属针和电流计，电流计用 于测量吸附带电粒子产生的电流。
发射探针的种类
单探针
只有一个金属针的探针，通常用 于测量等离子体的空间电位分布
。
双探针
有两个金属针的探针，通常用于测 量等离子体的电子密度和温度。
多探针
有多个金属针的探针，通常用于测 量等离子体的多维空间电位分布。
谢谢
THANKS
等离子体的应用
工业制造
等离子体用于切割、焊接 、喷涂和表面处理等工业 制造领域。
空间探测
等离子体在太阳风、行星 大气和恒星大气等空间探 测中具有重要应用。
核聚变
利用等离子体实现核聚变 反应，为未来能源提供新 的解决方案。
03 发射探针测量技术
CHAPTER
发射探针的工作原理
发射探针通过尖端的电场吸附带电粒子，并利用电流计测量 吸附带电粒子产生的电流，从而推算出等离子体的空间电位 。
CHAPTER
预鞘区等离子体的特性
预鞘区等离子体的定义
预鞘区等离子体是等离子体中的一个特定区域，位于鞘层内靠近 鞘层边界的位置。
预鞘区等离子体的特性
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
等离子体诊断技术-探针测量
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：
dI D dVD
|ID 0
eI io 2kTe
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
当探针电压为V时，探针上的电子电流为
eV
ie
i e kTe eo
Ie1
1 4
ene1
v1
Ap1
exp(eVp1 ) kTe1
⑶
Ie2
1 4
ene 2
v2
Ap 2
eV exp(
p
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
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
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
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。
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
等离子体技术以应用-2-2-静电探针法(朗谬尔探针)解读
整个探针伏安特性 可以分成三个区域： （1）电子饱和区； （2）过渡区； （3）离子饱和区。
（3.6） （3.7）
（1）电子饱和区 这个区域的鞘层电压降
VP U P VSP 0
（3.8）
电子通过鞘层加速，但电子流不可能大于等离子体 能提供的Ie0 值，所以把这个区域叫做电子饱和区。 而这时离子通过鞘层受拒斥，达不到探针。因此这 时探针电流
单双探针的测量装置示于p65图3.1。 EP是探针电源, W是调节探针电压的电位器，UP和IP分别是 探针电压和电流。若以阴极为参考电极，VSP是探针所处空间的 等离子体电位，即探针电荷鞘层边缘等离子体的电位，VP表示 鞘层边缘相对探针的电位，那么探针电压 UP = VSP + VP （3.1）
图 3.2 是以阴极为参考电极时，探针的伏安特性。 横坐标是探针电压UP ，纵坐标是探针电流IP ,有 （3.2） I P Ie Ii
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）。
( 3.27) ( 3.28)
I i 02 I e02 exp[eVp 2
(kTe )]
这里的离子饱和电流
I i 01 I i 02 1 en i 0 vi A p 4
( 3.29) ( 3.30)
饱和电子流
I e 01 I e 02 1 en e 0 ve A p 4
VP1 V1 VSP
（3.6） （3.7）
（1）电子饱和区 这个区域的鞘层电压降
VP U P VSP 0
（3.8）
电子通过鞘层加速，但电子流不可能大于等离子体 能提供的Ie0 值，所以把这个区域叫做电子饱和区。 而这时离子通过鞘层受拒斥，达不到探针。因此这 时探针电流
单双探针的测量装置示于p65图3.1。 EP是探针电源, W是调节探针电压的电位器，UP和IP分别是 探针电压和电流。若以阴极为参考电极，VSP是探针所处空间的 等离子体电位，即探针电荷鞘层边缘等离子体的电位，VP表示 鞘层边缘相对探针的电位，那么探针电压 UP = VSP + VP （3.1）
图 3.2 是以阴极为参考电极时，探针的伏安特性。 横坐标是探针电压UP ，纵坐标是探针电流IP ,有 （3.2） I P Ie Ii
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）。
( 3.27) ( 3.28)
I i 02 I e02 exp[eVp 2
(kTe )]
这里的离子饱和电流
I i 01 I i 02 1 en i 0 vi A p 4
( 3.29) ( 3.30)
饱和电子流
I e 01 I e 02 1 en e 0 ve A p 4
VP1 V1 VSP
等离子体实验数据处理
3、电子的温度 ������������ 为：
������������ =
������ 11600 11600 = = = 92544.18K ������tanϕ tanϕ 0.1253
4、电子的平均动能������������ 为：
_
������������ =
_
_
3 ������������ = 1.92 × 10−18 ������ 2 ������
5.电子的平均速度������������ 为：
_ 8������������������ ������������ = √ = 1.88991 × 106 ������⁄������ ������������������
七、实验结果陈述与总结
由于实验数据负电流部分取对数没有意义，因此作对数图的时候略去。对数图的前面少部分点 属于电流刚从零增大部分的数据，取对数作图后发现不落在直线上，因此只拟合后面线性部分。通 过拟合电子电流的对数特性图，由拟合的直线斜率可求出电子的温度为 ������������ = 92544.18K ；电子的 平均动能 ������������ = 1.92 × 10−18 ������ ；电子的平均速度 ������������ = 1.88991 × 106 ������⁄������ 。 本实验的操作部分比较简单，比较麻烦的是测量时电压电流不太稳定。通过实验，我们利用等 离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量，也了解气体放电中等离子体的特性。
_ _
八、思考题
1、 气体放电中的等离子体有什么特征？ 答：等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气 体。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等 温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容； （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等； （3）宏观上是电中性的； （4）具有固有震荡频率； （5）会受到磁场的约束，等等。 虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷 之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中 性的区域最大尺度称为德拜长度λD。当系统尺度 L＞λD 时，系统呈现电中性，当 L＜λD 时，系 统可能出现非电中性。 2、 单探针法测量等离子体参数有哪些缺点？ 答：由于单探针法的电势要以放电管的阳极或阴极的电势作为参考点，而且一部分放电电流会 对探针电流有所贡献，造成探针电流过大和特性曲线失真，所以有一定的局限性。 指导教师批阅意见：
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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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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。
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
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
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
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
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。
当探针电压为V时，探针上的电子电流为
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。
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
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
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
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 V动s时能，量所到有达电探子针将，不这受时电探
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：
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
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