等离子体诊断技术----探针测量

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。

·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]。

等离子体物理实验技术的进展与前景展望等离子体是一种高度激发和离解的电离气体，具有广泛的应用领域。

随着科学技术的不断进步，等离子体物理实验技术也取得了重要的进展。

本文将介绍一些相关的实验技术，并展望未来的发展前景。

一、等离子体诊断技术等离子体实验的第一步是准确地测量等离子体的基本参数，如电子温度、密度、电荷状态等。

为了实现这些测量，已经开发了多种等离子体诊断技术。

例如，光谱法可以用于测量等离子体中的辐射光谱，从而推断其温度和成分。

而散射技术则可以通过测量散射光的角度和强度来推断等离子体的密度和电子温度。

此外，微波干涉法和电子探针也是常用的等离子体诊断技术。

随着可用的诊断技术的不断发展和改进，我们可以更准确地获得等离子体的基本参数。

这将有助于深入研究等离子体的物理性质，并推动相关应用领域的发展。

二、等离子体制备技术等离子体物理实验的另一个重要方面是等离子体的制备。

目前，最常用的等离子体制备技术是电弧放电、射频电离和激光离子化。

在电弧放电中，通过加热气体到高温并加上电场，将气体离子化，形成等离子体。

而射频电离则是通过外加射频电场将气体离子化。

激光离子化则是利用激光将气体分子或原子离解成离子。

近年来，随着激光技术的飞速发展，激光离子化成为了一种非常有效的等离子体制备技术。

激光离子化不仅能够实现高度定向的等离子体束流，而且还可以控制等离子体的成分和能量。

这对于研究等离子体的相互作用以及应用于等离子体技术具有重要意义。

三、等离子体应用技术等离子体是许多重要技术的基础，如等离子体显示技术、等离子体材料加工技术和等离子体聚变技术等。

其中，等离子体显示技术已经得到了广泛的应用。

利用等离子体显示技术，可以制造出高分辨率、高对比度和高亮度的平面显示器。

而等离子体材料加工技术则可以用于制作微电子器件和光学元件，具有广阔的市场前景。

此外，等离子体聚变技术是一项具有巨大潜力的清洁能源技术。

在等离子体聚变反应中，轻元素结合释放出巨大的能量，并几乎不产生污染物。

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。

静电探针法测量气体放电等离子参数实验一、实验目的1.了解等离子体的产生和有关参数的物理意义2.采用静电探针法测量气体放电等离子体的电子温度和电子密度二、实验原理1.等离子体：是由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系，其集体行为是正负粒子和中性粒子构成的准中性气体，它是物质存在的第四状态（固体、液体、气体和等离子体）。

2.等离子体分类：低温等离子体（冷等离子体，如，极光、日光灯；热等离子提，如，电弧、碘钨灯）。

高温等离子体（如，核聚变、太阳核心）。

3.等离子体的粒子密度：是指单位体积内所含某种离子的数目。

等离子体内同时存在正离子，电子和中性粒子，n0为中性粒子密度，n i为正离子密度，n e为电子密度。

等离子体中带电粒子与中性粒子密度之比称为等离子体的电离度α=n i/n0或α=n e/n0。

4.等离子体温度：处于热平衡的体系对应一个确定的温度，对等离子体，热平衡的建立与离子密度、电离度以及外磁场有关，假定粒子的能量仅取决于平动不考虑转动等因素，则粒子能量与温度的关系E=3kT/2。

在等离子体中，通常分别表示不同带电粒子的温度（如离子温度T i和电子温度T e）。

5.气体放电等离子体模型(朗缪尔，Lanmuir1924)和静电探针法测量气体放电等离子参数实验装置：6.I-V特性曲线及电子温度和电子密度的计算(1)单探针诊断法(2)双探针诊断法单探针理想I-V曲线双探针原理图高压双探针理想I-V曲线单探针原理图高压电子温度：121201()e V I I e T I I k dI dV ++++==+，I 1+和I 2+分别是饱和离子流。

电子密度：122()e e eI m n Ae kT ++=，I +e 是饱和离子流，A 是探针面积，m +是离子质量T e 是电子温度。

三、实验过程及操作流程1. 开机前准备：关断仪器所有电源开关，按以下步骤2、4模拟开机和关机过程。

2. 开机：(1) 将真空阀门“F1”和“F2”缓慢右旋使之处于“关”；真空泵开关“V ”及“电源”处于下方的“关”；“放电”及“探针”调节旋钮逆时针旋转至“零”。

LANGMUIR 探针实验大连理工大学物理系三束材料改性国家重点实验室邓新绿编2001年10月 2003年9月修订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。

我们知道，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 (4)1e 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。