等离子体技术以应用-2-2-静电探针法(朗谬尔探针)讲解

等离子体旋转速度的测量方式马赫探针1.1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。

第４５卷　第１期２０２１年１月激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０１ ０１０９ ０６朗缪尔探针诊断脉冲激光锡等离子体特性孙　秦１，田雷超２，武耀星１，尹培琪１，王均武１，王新兵１，左都罗１（１．华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉４３００７４；２．上海空间推进研究所上海空间发动机工程技术研究中心，上海２０１１１２）摘要：激光作用锡靶等离子体极紫外光转换效率与等离子体特性密切相关。

为了对等离子体特性进行诊断，设计了一种用于激光等离子体诊断的朗缪尔探针，取得了不同激光能量下产生的锡等离子体电子温度与电子密度的时间演化。

结果表明，能量为５８．１ｍＪ的激光产生的等离子体峰值电子密度约为４．５×１０１１ｃｍ－３，最大电子温度为１６．５ｅＶ，均随激光能量减少而降低，与发射光谱法所测的电子温度演化趋势一致。

该研究为激光等离子体极紫外光源提供了一种新的简单快速诊断方法，有利于对激光等离子体的极紫外光源的参量进行优化。

关键词：激光物理；等离子体诊断；朗缪尔探针；极紫外光刻中图分类号：Ｏ５３９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０１ ０１９ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｔｉｎｐｌａｓｍａｂｙｕｓｉｎｇＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅＳＵＮＱｉｎ１，ＴＩＡＮＬｅｉｃｈａｏ２，ＷＵＹａｏｘｉｎｇ１，ＹＩＮＰｅｉｑｉ１，ＷＡＮＧＪｕｎｗｕ１，ＷＡＮＧＸｉｎｂｉｎｇ１，ＺＵＯＤｕｌｕｏ１（１．ＷｕｈａｎＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｐａｃｅＥｎｇｉｎｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）ｌｉｇｈｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄｔｉｎｐｌａｓｍａｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｐｌａｓｍａｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｏｄｉａｇｎｏｓｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｉｎｐｌａｓｍａ，ａＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅｆｏｒｌａｓｅｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｄｉａｇｎｏｓｉｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｆｔｉｎｐｌａｓｍａｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｉｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅａｋｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｐｌａｓｍａｉｓａｂｏｕｔ４．５×１０１１ｃｍ－３ｗｉｔｈｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｙｏｆ５８．１ｍＪ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ１６．５ｅＶ，ｗｈｉｃｈｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｔｒｅｎｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｓｉｍｐｌｅａｎｄｒａｐｉｄｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄｆｏｒｌａｓｅｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａＥＵＶｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＥＵＶｌｉｇｈｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｐｈｙｓｉｃｓ；ｐｌａｓｍａｄｉａｇｎｏｓｉｓ；Ｌａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅ；ｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ 基金项目：上海市科学技术委员会基金资助项目（１７ＤＺ２２８０８００）作者简介：孙　秦（１９９７ ），男，硕士研究生，现主要从事激光等离子体的研究。

等离子体分析摘要：本文介绍了气体放电中的等离子体的特性和等离子体诊断技术，利用单探针法和双探针法对等离子体的一些基本参量进行了测量，并对结果进行分析。

文中还简要介绍了等离子体的发展前景。

关键词：等离子体，等离子体诊断，探针法一. 引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。

在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。

朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。

近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。

二. 等离子体的物理特性等离子体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。

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。

描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度T e。

它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。

（2）带电粒子密度。

电子密度为n e，正离子密度为n i，在等离子体中n e≈n i。

（3）轴向电场强度E L。

表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能Eε̅̅̅。

（5）空间电位分布。

本实验研究的是辉光放电等离子体。

辉光放电是气体导电的一种形态。

当放电管内的压强保持在10～102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。

辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图1所示。

8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。

其中正辉区是等离子区。

三. 单探针与双探针法测量原理测试等离子体的方法被称为诊断。

等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法，光谱法等。

双探针法测量直流辉光放电等离子体参数刘浏【摘要】郎缪尔探针在测量低气压辉光离子体中被广泛应用。

本文就双探针法测等离子体参数的原理、现象以及结论进行了探讨。

分析了本组的实验结果，求出了不同条件下辉光放电等离子体中的电子温度，分析了功率和气压对电子温度的影响，并就结果中的一些与不理想的部分做出了解释。

【关键词】等离子体参数辉光放电双探针法电子温度1.引言电流通过气体的现象称为气体放电。

从日常生活中的日光灯管、电闪雷鸣，到工业生产中广泛使用的溅射镀膜、离子镀膜、离子轰击等，都与气体放电有关。

具有一定能量的电子与中性原子发生非弹性碰撞时，电子把一部分动能传给原子，使该原子激发或电离，即e-+G0→G*+e-e-+G0→G++2e-激发原子G*会产生特定颜色的辉光；产生的气体离子G+成为等离子体的一部分。

等离子体（plasma）是指电离度大于1％的电离介质，是和固、液、气同一层次的物质存在形式。

在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最简便的一种方法。

郎缪尔探针法由伸入等离子体内的导体作为探针，向它施加电压，通过测定探针电流，得到电流-电压（I-V）特性曲线，从而求得等离子体的参数。

本小组用双探针发对直流辉光放电等离子体的参数进行了测量，本文将对测量的结果进行分析和探讨。

2.直流气体辉光放电放电特性与原理【1】气体低压放电课分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。

其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。

这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在着显著差异。

经典的直流低气压放电在正常的辉光放电区示意图如右图：从左至右，其唯象结果如下：阴极区包括阴极，Aston暗区，阴极辉区和克洛克斯暗区。

负辉区整个放电管中最亮的区域。

其中电场相当低。

几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强爆发。

法拉第暗区在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低。

基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法2006年第5期上海航天AER0SPACESHANGHAI4l文章编号:1006—1630(2006)06—0041—05基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法曾昭宪-一,王世金,曾力(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:阐述了Langmuir探针测量空间等离子体的基本原理和方法.分析了利用Langmuir探针在空间等离子体探测应用中航天器,空间环境对探针表面污染,探针自身和其他因素对测量的影响.介绍了一种基于探针与空阃等离子体同电位的等离子体电位和密度的探测方法,并给出测量原理和探针结构.关键词:空间等离子体;Langmuir探针;等爵子体电子电位;电子密度中图分类号:P354文献标识码:A SpacePlasmaDetectingMethodBasedontheLangmuirProbeZENGZhaoxian一,WANGShi—jing,ZENGLi(1.CenterforSpaceScienceandAppliedResearch,CAS,Beijing100080,China;2.GraduateSchool,CAS,Beijing100039,China)Abstract:TheprincipleandmethodofspaceplasmadetectingbyLangrauirprobeweredesebi edinthispaper.Theeffectsofspacecraft,probesurfacecontaminationcausedbyspaceenvironment,probeitself andotherfactorsonthespace plasmadetectingusingLangmuirprobewereanalyzed.AmethodtOdetectspaceplasmapotentialandelectrondensity basedontheequalpotentialoftheprobeandplasmawasputforward,andthemeasurementme chanismandprobestructurewerealsogiven.Keywords:Spaceplasma;Langmuirprobe;Plasmapotential;Electrondensity0引言空间等离子体环境与航天器的安全飞行密切相关,其中可能发生影响航天器轨道和姿态的离子阻力效应,以及对航天器的充电效应等.因此,研究和发展空间等离子体环境探测技术对保障航天活动安全的意义非常重要.现行空间等离子体环境参数测量方法主要包括遥感测量和实地测量两类.前者通过向空间等离子体发射适当频率的无线电波,由空间等离子体对电波的反射,散射,吸收效应,以及多普勒与法拉第效应等推导电离层参数.该法主要用于测量电波通道内的等离子体整体参量,典型的有非相干散射雷达技术和基于全球卫星定位系统(GPS)的电离层电子总含量(TEC)测量技术等….这些方法的缺点是不收稿日期:2005—12—06;修回日期:2006—01—26作者简介:曾昭宪(198l一).男.硕士生.主要研究方向为空间环境探测.能获取局部的空间等离子体环境参数信息.后者利用星载仪器测量卫星轨道所处的空间等离子体环境,可获得空间等离子体环境的局部结构差异,使用的仪器主要有各种粒子谱仪和Langmuir探针.粒子谱仪主要测量某一特定能量段或方向的粒子,而Langmuir探针则可测量空间等离子体环境的电子密度,电子温度,相对航天器的电位等整体背景参数.Langmuir探针的特点是质量小,功耗低,时空分辨率高,结构相对简单,以及所获信息丰富,自20 世纪50年代末用于空间等离子体探测以来就极受各国重视.统计表明,在美宇航局(NASA)的航天器计划中,装有Langmuir探针的航天器占12.9%. 为此,本文就Langmuir探针在空间等离子体探测中的应用及其关键技术进行了综述.1Langmuir探针基本原理Langmuir探针是一根很小的金属电极,常用形状有圆柱形,球形和平板三种.对星载应用,为使探42上海航天AER0SPACESHANGHAI2006年第6期针免于航天器离子鞘层的影响,通常会加一长撑杆, 与相应的电子学测量部分构成Langmuir探针系统. 其工作基本原理是:当探针浸入空间等离子体中时, 等离子体电子和离子因热运动形成到达探针表面的粒子流.由于电子热运动速度远大于离子热运动速度,探针表面会逐步积累负电荷,使探针相对空间等离子体呈负电势.该负电势会排斥电子,吸引离子. 随着负电势增大,从空间等离子体到达探针的电子电流将越来越小,而离子电流越来越大.当达到平衡时,探针表面的总电流为零,探针的负电势也固定为一定值.此时,若加外电源改变探针电压,则针内会有电流通过.调节外加电源使探针电压由负变正,探针电流也随之而变,由此可得探针的电流电压特性曲线.分析该特性曲线即可获探针周围空间等离子体的电子密度,离子密度,电子温度和空间电位等参数.Poisson方程和Boltzmann方程是描述Lang—muir探针的基本公式.因这些方程为非线性,且边界条件复杂,故难以获得精确的解析解和数值解. TONKS,LANGMUIR,HARRISON,THOMPSON, SELF等进行了大量的研究,其中最基本是OML理论和Child—Langmuir理论.假设成立理想条件:粒子运动无碰撞;无干扰粒子运动的强磁场;电子和离子的速度分布均服从Maxwel1分布;电子和离子在到达探针表面后都被完全收集,不产生次级电子的发射.由OML及Child-Langmuir理论可推得探针电流与电压的关系为:当V>0时,J=Ae(+)一A)exp(一).㈩\/旺\一瓦Jl;u当V<0时,J=Ae()1/2exp(一)一Ae()(十)'\八"忌TiJ,式中:J为探针电流;V为探针相对周围空间等离子体的电位;A为探针表面积;7"/;,m;分别为等离子体离子的密度和质量;7"/,m分别为等离子体电子的密度和质量;Ti,T分别为等离子体离子和电子的热温度;e为电子电荷;忌为波尔兹曼常数[?.式(1),(2)的第一,二项分别表示了电子电流和离子电流的大小.由此可得探针的理想J—v特性曲线如图1所示.该曲线可分为电子饱和区,电子阻滞区和离子饱和区三部分.由式(1),(2)可知,;,分别决定了离子和电子饱和电流的大小,T决定了电子阻滞区的宽度.因此,由v曲线也可反推探针周围等离子体的密度,温度等参数.型:电子饱航;.差:』e一,l.一;:上一,li....一离子饱和区图1探针理想I-y曲线Fig.1TheoreticI-ycurveforprobe2Langmuir探针空间应用关键实际应用Langmuir探针测量空间等离子体时,常因空间环境的复杂性致使上述理想条件不复成立.航天器,空间环境污染,探针以及其他因素均会对Langmuir探针测量产生明显的影响,致使探针周围的空间等离子体分布为一种非Maxwel1分布.为提高测量精度,需尽可能消除和避免这些影响.根据航天器飞行轨道的空间环境特性和测量目的不同,采用的设计方案和测量方法不同,对数据的处理也各异.2.1航天器对测量的影响2.1.1对周围等离子体的扰动当航天器在空间等离子体环境中飞行时,会对其周围的等离子体产生扰动.首要原因是航天器表面带电,其形成机理与Langmuir探针测量等离子体的原理相同.实际上,飞行于太空的航天器等同于一大探针,同样会产生相对周围等离子体空间电位的负电位,并在其表面形成一等离子体鞘层.等离子体鞘层和电位会对航天器周围等离子体中的电子产生排斥,对离子产生吸引,从而使粒子速度不再服从Maxwel1分布.其次航天器的运动也会对其周围的等离子体产2006年第6期曾昭宪,等:基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法43 生扰动.通常,航天器的速度相对离子声速有一较大的马赫数,这种超声速现象使航天器将离子从轨道上扫开,并在其后形成一离子浓度远小于正常值的尾迹,同时在其前面,因离子流高速撞击航天器表面而出现离子的聚集和反射.这样,航天器周围的等离子体流可分为被压缩的激波(Ram)区,鞘区和尾迹(wake)区.被扰动的稳态流场特性取决于离子流与航天器相互作用的夹角.0=0.时航天器周围等离子体流的结构如图2所表示.图中,鞘区I为未完全形成的鞘层;d为鞘层厚度.根据文献[4],夹角为零和非零时,航天器鞘的尺度d=1.32DIeV./(kT);(3)d=1.32DIeV./(kT)/~/(Ma)sin0,(4)式中:D为等离子体德拜长度;V.为航天器表面电位;Ma为航天器相对离子热速度的马赫数.Wake区图2航天器周围等离子体流结构FIg.2Plasmastructuremoundthespaceera~为避免上述等离子体结构扰动对测量的影响,可采用多种措施.如Cluster卫星用主动卫星电位控制方法,卫星搭载金属阳离子流发射器,该发射器可产生能量为5～9keV的数十微安铟离子流,对卫星电位进行主动控制J.PARKER(1970年), SCIME(1994年)提出根据航天器表面电位和航天器离子鞘的结构对航天器周围等离子体探测数据的修正方法J.但最有效是采用撑杆,将Langmuir探针安装于伸出航天器鞘层以外的支架上.2.1.2对探针搜集电流的影响因探针以航天器的轨道速度运动,即使空间等离子体无热速度,探针也能收集到其扫过的等离子体电子和离子.设航天器的轨道速度为,等离子体电子热速度为,离子热速度为;,则通常有i《《.由于电子热速度远大于航天器速度,后者对电子电流产生的影响可忽略,而离子热速度远小于航天器速度,离子电流会产生较大的变化. HOEGY,WHARTON等在考虑探针相对运动对离子电流影响的条件下,给出的离子电流(5)式中:为探针相对周围等离子体运动的速度,其值等于航天器的轨道速度.探针在静态和以航天器轨道速度运动时离子电流如图3所示.由图可知,在探针相对等离子体运动时,离子饱和电流增加了3～10倍,并随电压的减小而快速增大.《×b一图3静态和运动状态下的离子电流F.g.3Ioncurrentinstationaryandmovingstates2.2空间环境对探针表面的污染空间环境对探针表面的污染是影响Langmuir探针工作性能的另一重要因素.粒子与探针表面的相互作用可能会使探针表面产生错乱交杂的晶格结构,中性粒子也会依附于探针表面,这会引起探针表面电位分布的不均匀,使探针J—v特性曲线出现严重变形.此外,空间环境粒子还会氧化和磨损探针表面,导致探针表面功函数出现时变,并引起空间电位,探针电位以及航天器电位之间关系的变化.为尽可能消除或减小这些影响,常对探针表面进行如表面氮化等预处理.近年来,提出一种新的表面污染处理方法并在实验室得到了验证,该技术在探针传感器内部放置加热电极,使探针传感器可通过加热进行自动在轨清洗J.该方法可有效去除探针表面的依附物.2.3探针自身的影响探针自身也是影响测量的一个主要因素.因为探针表面存在的等离子体鞘层会改变到达探针表面的电子和粒子的速度与方向,使测量结果偏离真实值.此外,电子,离子与探针表面的相互作用,也会产生一定数量的二次电子发射及电子后向散射.当探针暴露于太阳紫外辐射中时,还会导致光电子的发射.这些都会改变探针电流而影响测量的精度.上海航天AERoSPACESHANGHAI2006年第6期因此,应尽量选取功函数较高的材料加工探针传感器部分,并要求材料耐溅蚀,耐热和耐化学反应.空间应用中,常选钛为制作探针传感器的材料.2.4其他影响在复杂的空间环境中,影响探针测量结果准确性的因素还有:电离层极光区的高能沉降粒子流,它会显着增加探针的二次过程,改变探针搜集电流的大小;空间磁场,它会在一定程度上改变被测电子和离子的运动速度与方向.文献[9]给出了这些情况下Langmuir探针电流与电压的关系.3一种电离层等离子体电位和电子密度测量方法3.1测量原理当探针电位与其周围空间等离子体电位相同时,影响测量准确性的探针表面离子鞘或电子鞘层就会消失,维持此状态的探针对其周围等离子体的影响最小.电离层中的等离子体是一种高密度的冷等离子体,非常稳定,可认为其离子能量满足Maxwel1分布.对此,当探针电位小于或等于周围等离子体电位时,由式(2)可得探针收集的电子电流Ae()t/2exp(一).'(6)特别地,在探针与周围等离子体的电位相同时,有V=0,且因为电子电流远大于离子电流,故有探针总电流f.=A,ze().对式(6)两边求导,得die=10(一悫)eXp(一).(7)由式(7)可知,当探针电位小于等离子体空间电位时,电子温度和密度变化量分别正比于f(dIe/ dV)～,f0(dIe/dV).这样,当探针维持在等离子体空间电位时,可通过测量探针电流和电流对电压的一次导数值获得空间等离子体电子密度与温度参数,同时也得到空间等离子体电位.3.2探针结构探针结构如图4所示.系统采用双Langmuir探针,其中柱形探针用于获取和监测等离子体空间电位的变化,为整个探针系统提供电位参考,球形探针用于测量等离子体电子密度与温度参数.图4探针结构Fig.4Probestructure选用柱形和球形探针的原因如下.a)与球形探针相比,柱形探针的末端效应很小,可较好地监测等离子体空间电位的变化,且柱形探针形状简单,加工方便,易与球形探针结合.b)在相同条件下,球形探针对入射带电粒子的影响最小.在粒子相对探针的初始入射角为45.条件下,球形探针和平面形探针对带电粒子入射路径的影响如图5所示.由图可知,球形探针对带电粒子的影响小于平面形探针.鞘层厚图5探针对带电粒子入射路径的影响Fig.5EffectofvariousprobesOatrajectory本法的优点是探针电位始终维持在周围空间等离子体电位附近,使探针保持在无鞘层或鞘层可忽略的状态,这样就能不考虑探针本身鞘层对搜集电流的影响.4结束语Langmuir探针技术是一种灵活而有效的空间等离子体测量技术.在Langmuir探针的基础上,还可研发出不同用途的Langmuir探测器,如测量正离子的阻滞势分析器,测量正离子相对传感器观测方向到达角的平面离子漂移计等[u.12].为更好地利用Langmuir探针,各国均制定了研制新型Langmuir探针的计划.掌握和发展Lang.muir探针技术,对我国的空间事业具有十分重要和现实的意义.2006年第6期曾昭宪,等:基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法45 参考文献[1]张东和.接收GPS卫星信号测量电离层总电子含量结果的初步分析[J].地球物理.1996,39(增刊).[2]焦维新.空间探测[M].北京:北京大学出版社,2002.[3]HUTCHINSONIH.Principlesofplasmadiagnostics[M].Canmbridge:UnitedKingdomattheUniversityPress,2002.[4]HASTINGSDE,CHOM,WANGJ.Spacestation freedomstructurefloatingpotentialandtheprobabilityofarcing[J].SpacecraftandRockets,1992,29:830.[5]TORKARK,RIEDLERW,ESCOUBETCP,eta1. 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WashingtonDC:MeasurementTechniquesinSpacePlasmas,1997.(上接第40页)籁勰籁1谣频率/GHz(b)方头端头裂缝频率/GHz(b)圆头端头裂缝图7两种端头裂缝驻波系数的比较Fig.7VSWRcomparisonbetweentwoslots式中:C为光速.fo=c/(2L),(26)3结束语本文介绍了波导端头裂缝MOM分析的基本步骤,推导了相应的数值计算公式.给出了两组x波段BJ一100波导端头裂缝的长度,宽度,厚度与谐振频率关系的计算结果.比较表明,计算结果与测试值较为吻合.另外,还给出并验证了方头端头裂缝与圆头端头裂缝的等效替代公式,以及谐振频率的近似计算公式.采用本文方法能分析波导端头裂缝的工作特性,并由此设计出满足驻波系数和谐振频率等指标要求的波导端头裂缝.该方法的计算速度快,结果较准确.参考文献[1]L YONRW,SANGSTERAJ.Effidentmoment methodanalysisofradiatingslotsinathick—walledrectan—gularwaveguide[J].1EEProc.PtH,1981.128(4):197—205.[2]任济时,吕善伟.伽略金法分析矩形波导缝隙天线的耦合特性[J].北京航空学院,1983,(1):75—86.[3]张贞卓,王湖庄,陈抗生.一种新型矩形波导裂缝天线的分析与设计[J].微波,1996,(1):42—49.[4]李建瀛,梁昌洪.波导端头裂缝的矩量法分析[J].西安电子科技大学,1999,(1):67—70.[5]TAICT.Dyadicgreenfunctionsinelectromagneticthe? ory[M].NewYork:IEEEPress,1994.[6]SAMIIYR.Onthequestionofcomputationofthe dyadicgreen'Sfunctionatthesourceregioninwavegnides andcativies[J].IEEETrans.MicrowaveTheoryand Technologys,1975,MTT-23;762—765.。

Langmuir 探针实验朗缪尔探针（ Langmuir Probe ） 是等离子体诊断的基本手段之一。

为了搞清朗缪尔探针的工作原理，首先让我们来考察一下一根悬浮地插入等离子体中的金属丝会出现什么现象。

一． 插入等离子体内的悬浮金属丝：如图1所示，真空室内以某种方式建立起了等离子体，金属丝（Metal tip ） 悬浮地插入其中。

由于等离子体内电子的质量远比离子的质量小，而其运动速度远比离子高。

这一基本事实将导致在悬浮地插在等离子体中的金属丝上会积累相当数量的负电荷，以致产生明显的悬浮负电位。

定量分析如下： 根据分子运动论,可知在单位时间内落在金属丝表面单位面积上的粒子数遵循余弦定律：其中n e 为电子密度，n i 为离子密度，e v 为电子平均热运动速度, i v 为离子平均热运动速度。

(1)、(2)两式两边均乘以电子电荷e ，可得流向金属丝的电子电流密度j e 与离子电流密度 j i 的表达式：我们知道i e v v >>，故j e >>j i 。

因此，金属丝刚插入等离子体内的极短时间内，金属丝表面会出现净的负电荷。

该负电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子。

过程平衡时，金属丝的电位为 v f 。

设等离子体空间电位为v sp ， 则在 v sp -v f 作用下， j e = j i 。

v f 即为悬浮地插入的金属丝的悬浮电位。

显然， v f <v sp ，亦即在金属丝与等离子体之间形成了一个电位差为v sp -v f 的鞘层。

向金属丝飞来的正离子不受鞘层电场的影响；而电子在穿越鞘层时，受到拒斥场的作用，只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面。

根据玻尔兹曼分布函图1()1 (41)e e e v n dt dn =()2 (4)1i i i v n dt dn =()3 (4)1e e e v en j =()4 (4)1i i i v en j =数，可知能穿过这个势垒的电子浓度为：其中 n e0 为等离子体区域内的电子浓度。

双探针法测量直流辉光放电等离子体参数刘浏【摘要】郎缪尔探针在测量低气压辉光离子体中被广泛应用。

本文就双探针法测等离子 体参数的原理、现象以及结论进行了探讨。

分析了本组的实验结果，求岀了不同条件下辉光 放电等离子体中的电子温度，分析了功率和气压对电子温度的影响，并就结果中的一些与不 理想的部分做岀了解释。

【关键词】等离子体参数辉光放电双探针法电子温度1-引言电流通过气体的现象称为气体放电。

从日常生活中的日光灯管、电闪雷鸣，到工业生 产中广泛使用的溅射镀膜、离子镀膜、离子轰击等，都与气体放电有关。

具有一左能量的 电子与中性原子发生非弹性碰撞时，电子把一部分动能传给原子，使该原子激发或电离，即 e'+G°->G*+e~e +G °fG +2e激发原子G •会产生特定颜色的辉光：产生的气体离子G+成为等离子体的一部分。

等藹子体(plasma)是指电离度大于1%的电离介质，是和固、液、气同一层次的物质 存在形式。

在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最简便的一种方法。

郎缪尔 探针法由伸入等离子体内的导体作为探针，向它施加电压，通过测左探针电流，得到电流- 电压(I-V)特性曲线，从而求得等离子体的参数。

本小组用双探针发对直流辉光放电等离子体的参数进行了测量，本文将对测量的结果进 行分析和探讨。

2. 直流气体辉光放电放电特性与原理⑴气体低压放电课分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。

其中各个阶段的放电在 不同的应用领域有广泛的应用。

这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在 因素来看是其放电电压和放电电流之间存在着显著差异。

经典的宜流低气压放电在正常的辉 由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低。

净电场很小，一般是lv/cm.这种电场的大小刚好足以在它 的阴极端保持所需的电离度。

空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色。

正电柱是一个长的均 匀的辉光，是等离子体最均匀的部分，也是本实验中探针放置的位置。

微波等离子体的朗缪尔探针测量张宝芳【摘要】随着微波等离子体的应用越来越广泛,其参数的测量研究也逐渐得到人们的重视.本文使用朗缪尔探针测量了微波等离子体的单探针I-V特性,并根据探针测量原理计算出等离子体空间电位、电子温度,电子密度和离子密度等参数.【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(028)004【总页数】3页(P521-523)【关键词】微波等离子体;朗缪尔探针;测量【作者】张宝芳【作者单位】江苏科技大学张家港校区信息学院,张家港,215600【正文语种】中文【中图分类】TN1360 引言在各种等离子体中微波等离子体有许多优良性能，如电离度高;适应压强范围;电子密度高;无内部电极等[1].这些特性使微波等离子体在薄膜沉积，表面处理，微波等离子体激光等科学技术中获得了广泛的应用[2].等离子体加工设备是否能满足工艺要求，工艺参数是否能满足加工工艺的需要，都有赖于等离子体诊断和最后的工艺效果作出评价[3].本实验使用朗缪尔探针测量微波等离子体的I－V特性，并计算出等离子体电子温度，密度等参数.1 实验装置及方法图1是本实验使用的微波等离子体CVD系统.主要由微波发生及传输系统、微波放电系统、配气及抽气系统、水冷系统及控制电路、样品支架调节系统等五部分组成.微波频率2.45GHz，工作气体为 Ar气，气压范围是 0.1Pa～2.0Pa，微波输入功率范围是300W～1000W.实验中通入Ar气流量30sccm，放电气压0.15Pa，微波功率350W.1.1 朗缪尔探针图2是本实验使用的朗缪尔探针结构示意图.探针采用直径约2.5mm的钨丝制成，外包聚四氟乙烯套管.钨丝后端用电火花焊法与铜丝相连，并推入内径约为6.5mm 的氧化铝陶瓷套管中，以刚好不露出为宜.这样保证探针恰好位于屏蔽体内孔的中心，而不与孔边相接触.即使屏蔽体表面被沉积上了导电膜，探针也不会与导电膜接触以减少探针表面的污染.探针的支撑部分采用外径11mm的不锈钢管做成.经真空密封处理后铜丝引出不锈钢管，作为与探针电路的连接头.在位于等离子体室外的不锈钢套管的内部上下两端焊接两个具有一定厚度的对称的不锈钢片，旁边放置一大小适当的O型圈，不锈钢管末端外部和转接件B内部都加工成螺纹，实验时转接件顺着螺纹拧紧，则转接件的底端随之挤压O型圈，使之紧贴不锈钢片，由此解决探针的真空密封问题.图1 微波等离子体CVD系统示意图探针的支撑部分(光滑不锈钢管)穿过真空室壁上焊接件的通孔，探针在真空室内即可处于悬浮状态.在焊接件靠近不锈钢管两侧放置大小适当的O型圈与金属环，焊接件外端部一端和转接件A内部都加工成螺纹，当需要密封处理的时候，就把转接件顺着螺纹拧紧，拧紧的同时转接件的底端随之挤压金属环，金属环顺势挤压，使之变形、紧贴焊接件底端内侧，其次对焊接件靠近腔体壁的边缘进行满焊，由此解决焊接件部分的真空密封问题.实验证明，这样安装的探针对真空室的真空度造成的影响甚微.由于不锈钢管和与之接触的孔壁都极为光滑，实验时可以在室外拖动不锈钢管，以达到变换探针位置的目的.图2 探针结构示意图1钨丝;2聚四氟乙烯套管;3焊接点;4陶瓷管;5铜丝;6不锈钢管;7腔体壁;8焊接件;9转接件A;10金属环;11不锈钢片;12 O型圈;13转接件B 1.2 静电探针测试系统图3为本实验使用的静电探针测试系统示意图.系统组成主要包括静电探针，扫描电源电路、探针电流测量电路、探针电压测量电路、ADuC845单片机、计算机等.该系统是一个数据采集和闭环控制系统，它连续地采集等离子体在线性扫描电压下的电流信号，并把电压和电流信号送到PC机得到V－I特性曲线，再经过相关处理得到相应的等离子体的电子温度、密度等重要参数.图3 静电探针测试系统示意图2 实验及结果分析由静电探针工作原理[4－5]可知，一般地，探针伏安特性曲线可分成3个区域:图4 伏安特性曲线图5 伏安曲线过渡区的拟合曲线1)离子电流饱和区:探针电位(Vp)远远小于等离子体空间电位(Vsp)，即Vp＜＜Vsp.此时，全部电子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面，只有正离子能被探针收集.2)过渡区:Vp＜Vsp，因此，落在鞘层表面的正离子全部能到达探针表面，构成探针电流(Ip)的一部分.3)电子电流饱和区:Vp≥Vsp，此时全部正离子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面，只有电子能被探针收集.2.1 等离子体空间电位Vsp与悬浮电位Vf当Vp≥Vsp时，探针电流到达电子饱和电流;而当Vp＜Vsp时，探针电流按指数函数衰减.故在I－V曲线上会出现一拐点，此拐点对应的横坐标即为等离子体空间电位Vsp，I－V特性曲线与横坐标的交点即为悬浮电位Vf.图3为实验测得的I－V特性曲线，由图可知悬浮电位约30V.2.2 电子温度电子温度由下式决定:即将实验测得的I－V特性曲线取半对数(即纵坐标取对数，变为lnIp，而横坐标仍为Vp)，用最小二乘法拟合曲线，如图4所示，得lnIp=f(Vp)，则在过渡区内，lnIp与Vp应呈线性关系，该直线的斜率即为等离子体的电子温度(kTe)的倒数.由图4可得该条件下的等离子体的电子温度为8eV.2.3 电子密度与离子密度其中Ap为探针的表面积，以cm2为单位;Ie0以mA为单位;kTe以eV为单位.由等离子体的电中性可知:ni=neo，故可求得离子密度ni.则饱和电子电流约为6.3mA，，电子密度等于离子密度约为2×1011cm－3.3 结论本实验使用朗缪尔探针测量微波等离子体的单探针I－V特性，并根据探针测量原理计算出等离子体空间电位、电子温度，电子密度和离子密度等参数.由结果可知，本实验使用的微波等离子体CVD系统能够产生高密度低温度的等离子体.参考文献:[1]Samukawa S.Wave Propagation and Plasma Uniformity in an E-lectron Cyclotron Resonance Plasma.Journal Vaccum ＆ Science Technol.1993，A11(5):2572－2576.[2]邓新绿，吴桂林，张家良，等.利用LIF法诊断微波等离子体鞘层[D].大连理工大学学.1997(2):161－165.[3]甄汉生.等离子体加工技术[M].北京:清华大学出版社.1990.[4]菅井秀郞.等离子体电子工程学(张海波，张丹译)[M].北京:科学出版社，2002，126－129.[5]Orlandoau cielloand，D anielL.Flamm编著，郑少白等译.等离子体诊断[M].北京:电子工业出版社，1994，120－187.。