静电探针法对等离子体参数的测定
等离子体特性实验
实验简介等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态体系，是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。
等离子体有别于其他物态的主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。
气体放电是产生等离子体的一种常见形式，在低温等离子体材料表面改性、刻蚀、化学气相沉积、等离子体发光等方面有广泛的应用，同时也是实验室等离子体物态特性研究的重要对象。
气体放电实现的方式可以千差万别，但产生放电的基本过程是利用外（电）场加速电子使之碰撞中性原子（分子）来电离气体。
本实验的目的是领会气体放电的基本原理和过程；掌握常规的静电探针诊断方法；了解等离子体中离子声波的激发、传播、阻尼等基本特性。
实验原理⏹气体放电原理与实验装置●利用电子对中性气体的轰击使气体电离是产生等离子体的一种常见的方法。
在直流放电情况下，当灯丝（钨、鉭）达到足够高的温度时，许多电子会克服表面脱出功而被发射出来。
这些初始电子在外加的直流电场中加速，获得足够的能量与中性气体碰撞并使之电离。
室温下大多数常用气体的第一电离能在20eV左右，故而施加于阴极（灯丝）与阳极（本实验中为真空室壁）之间的电位差必须高于20V。
遭轰击而被剥离的电子称为次级电子，与初始电子相比，次级电子的能量较低。
等离子体中大多数电子是次级电子。
电子碰撞电离截面在能量为几十电子伏左右达到最大，通常在阴极与阳极之间施加30~100V电压就可以形成稳定的直流放电。
●有几种因素限制了电极间产生的放电电流的大小。
首先是阴极的电子发射能力的限制，阴极表面的发射电流密度由理查森（Richardson）定律给出：（1）其中T和W分别是灯丝的温度合材料的脱出功，k为波尔兹曼常数。
A的理论值为,实际中A的数值在,之间。
对钨来说，,W=4.5eV,在T=2000K（熔点3650K）时，。
●其次是空间电荷效应的限制。
在中性原子稀少的情况下（如真空管中），电极之间的电流不会太大，电流受到限制的原因是积累在阴极附近的电子阻止了新的发射电子。
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
低频放电等离子体静电探针诊断方法
低频放电等离子体静电探针诊断方法1 介绍低频放电等离子体静电探针诊断方法是一种常用的等离子体诊断方法，可以用来研究等离子体的性质和特性。
静电探针是一种比较简单、直接的等离子体诊断方法之一，也是常用的等离子体诊断方法。
本文将对低频放电等离子体静电探针诊断方法进行详细介绍。
2 等离子体基本概念在介绍低频放电等离子体静电探针诊断方法之前，需要先了解什么是等离子体。
等离子体是由一定数量的正、负离子和自由电子组成的带电气体。
当气体中的电子被能量激发后就可以把原子或分子中的电子推出来，这样就形成了等离子体。
3 静电探针基本原理静电探针是一种通过测量等离子体中电势差变化来进行等离子体诊断的方法。
它由一个金属导体组成，将其暴露在等离子体中，与等离子体中的电荷相互作用，导致静电势变化。
这种势变化与等离子体中的导电性、电子密度及温度等因素有关，通过对这些因素的测量，可以得到等离子体的基本性质。
4 静电探针的种类在低频放电等离子体静电探针诊断中，静电探针主要分为两种：长探针和短探针。
长探针主要用于等离子体诊断，可以测量等离子体中的全局特性参数，如电子密度、电子温度、离子密度等；而短探针主要用于研究等离子体中的局部特性参数，如等离子体中的局部电势、磁场等。
5 静电探针使用注意事项在使用静电探针进行低频放电等离子体诊断时，需要注意以下几点：1. 探针的长度要与等离子体宽度相当；2. 探针的尺寸要适中，过小可能会对等离子体产生影响；3. 探针需要先通过真空来清除表面的气体，否则可能影响测量结果；4. 探针需要定期进行校准，以确保测量结果的准确性。
6 结论低频放电等离子体静电探针诊断方法是一种比较直接、简单的等离子体诊断方法，可以用来研究等离子体的性质和特性。
在使用静电探针进行等离子体诊断时，需要注意探针的长度与等离子体宽度相当、尺寸适中、清除表面气体并定期校准等问题。
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。
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。
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
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。
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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。
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芝
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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。