等离子体诊断技术----探针测量
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
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
等离子体强度测定方法
等离子体强度测定方法等离子体强度测定是一种重要的物理实验技术，它可以帮助人们了解等离子体的性质和行为。
本文将介绍几种常见的等离子体强度测定方法，希望能够给读者提供指导和启示。
首先，最常用的等离子体强度测定方法是利用光谱学原理进行测量。
等离子体在高温条件下会发射出特定频率的光线，通过测量这些光线的强度，我们可以间接地得到等离子体的强度信息。
常用的方法有光谱辐射测量法和辐射闭合测量法。
光谱辐射测量法利用光谱仪测量等离子体发射的光线强度，然后通过比较标准光源和等离子体发射的光线强度，可以得到等离子体的辐射强度。
这种方法通常适用于较稳定的等离子体系统，但在瞬态等离子体和高温等离子体中的应用相对较少。
辐射闭合测量法则通过闭合等离子体体积内的所有辐射能量来测定等离子体的强度。
这种方法可以避免光谱仪等仪器的使用，更便于在高温和瞬态等离子体系统中进行测量。
同时，辐射闭合测量法还可以提供等离子体的平均温度和密度等信息。
除了光谱学方法，还有一种常见的等离子体强度测定方法是利用电流探针。
电流探针可以直接测量等离子体中的电流密度，从而间接得到等离子体的强度信息。
这种方法适用于等离子体系统中的电流快速变化较大的情况，如等离子体聚变反应器。
最后，还有一种高级的等离子体强度测定方法是利用激光诱导荧光（LIF）技术。
激光诱导荧光技术通过激光激发等离子体中的某些特定原子或分子，从而使其发射出特定频率的荧光。
通过测量这些荧光的强度，可以得到等离子体的强度和其他相关参数。
这种方法在等离子体诊断领域得到广泛应用。
总的来说，等离子体强度测定方法多种多样，不同方法适用于不同的等离子体系统和实验目的。
通过选择合适的测量方法，我们可以更好地了解等离子体的性质和行为，推动等离子体物理和应用领域的发展。
希望本文所介绍的等离子体强度测定方法能给读者提供一定的指导和启发。
探针法在直流辉光放电等离子体测量中
3.2 球状探针 实验中使用的球状探针裸露部分为一
个半径约 0.5cm 的金属球，探针表面经计算 得 3.14cm2。使用球状单探针测量的各种接 地情况的探针曲线如（图 3.5）所示。
４．５
４
３．５
３
２．５
２
１．５
１
０．５
０
－６５
－４５
－２５
－０．－５５
１５
３５
５５
（a）阳极接地时的球状探针曲线
－８０
当容器壁接地时，实测 I-V 曲线如（图 3.4）。
－４０
－２０
０．０４ ０．０３５
０．０３ ０．０２５
０．０２ ０．０１５
０．０１ ０．００５
０ －０．００５０ －０．０１
２０
４０
图 3.4 容器壁接地时的柱状探针曲线
9
图 3.2 电源两极板间的电位分布
当阴极接地时，实测 I-V 曲线如（图 3.3）。
在实验室对直流辉光放电等离子体测量 时，发现主放电装置的电极和容器壁接地的 情况对实际测量会产生影响。在某些接地情 况时，不能得到理想的探针电流及 I-V 曲线， 会影响测量结果。本文通过实验，对产生这 些问题的原因进行了分析。
2 探针法简介 根据探针结构的不同，除单探针外，还
有双探针、三探针、发射探针几种结构[1]， 他们已被证明在很多情况下是非常有效的。 而探头的种类也有很多，如柱状、球状、板 状、环形等。本文使用了探头形状是柱状和 球状的单探针法，以及板状的双探针，分别 对不同放电装置接地状况的低压直流等离 子体进行了测量。
可以看出，在阳极或阴极接地时，球状 探针的 I-V 曲线的形状与柱状探针时相似， 只是电流幅值大于柱状探针。这是由于在本
真空断路器弧后残余等离子体的探针诊断方法
·等离子体及应用技术·真空断路器弧后残余等离子体的探针诊断方法*马廷彪1， 陈里昂2， 徐铭铭3， 陈 辉2， 葛国伟2， 程 显2（1. 河南九域恩湃电力技术有限公司，郑州 4500052； 2. 郑州大学 电气工程学院，郑州 450001；3. 国网河南省电力公司 电力科学研究院，郑州 450052）摘 要： 真空断路器开断过程中弧后残余等离子体是表征其开断性能的重要参量。
基于探针电子饱和区域工作原理，提出了一种真空电弧弧后残余等离子体电子密度测量方法，分析了其结构和工作原理。
设计了探针诊断系统的探针结构和控制系统，基于可拆卸真空腔体进行了残余等离子体电子密度的单探针测量实验，采用高速相机观测电弧发展演变过程，研究了电流大小、触头结构等参数对残余等离子体衰减过程的影响。
通过前人其他诊断方法对比验证了该测量方法的有效性，为后续真空断路器弧后微观特性研究提供了一种低成本、有效的诊断方法。
关键词： 真空电弧； 弧后残余等离子体； 探针诊断； 电子密度中图分类号： TM561 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.210071Probe diagnostics of post-arc residual plasma ofvacuum circuit breakersMa Tingbiao 1， Chen Li’ang 2， Xu Mingming 3， Chen Hui 2， Ge Guowei 2， Cheng Xian 2（1. Henan Jiuyu Enpai Power Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450052, China ;2. College of Electrical Engineering , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001, China ;3. Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co., Ltd., Zhengzhou 450052, China ）Abstract ： The post-arc residual plasma of the vacuum arcs in the breaking process is an important parameter,which is used to indicate the breaking capacity of the vacuum circuit breakers. Based on the basic principle of the electron saturation region for the probe diagnostics, the paper proposes a measuring method of electron density in residual plasma. The structure and principle of the method are analyzed. The probe structure and control system of the probe diagnostics are designed. The electron density of the residual plasma is measured by the single probe based on the dismountable vacuum chamber. The vacuum arcs development is observed by the high speed camera. The influence of the current magnitude and contact structure on the decay process of the residual plasma is investigated.Finally, the validity of the measurement method is verified by comparing with other diagnostic methods, which provides a low-cost and effective diagnostic method for future research on the micro-characteristics of vacuum circuit breakers.Key words ： vacuum arcs ； post-arc residual plasma ； probe diagnostics ； electron density真空断路器以其优越的绝缘和灭弧性能在中压配电领域占有主导地位[1]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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。
• 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。
• 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
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
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
eV
ie
i e kTe eo
③
ieo
其中， 为最大电子电流
(1)求T e表达式 对③式两边取对数，有
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
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
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
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
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
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）
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
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