等离子体诊断技术----探针测量共26页文档

等离子体物理中的等离子体诊断技术等离子体是一种高度电离的气体，它具有复杂的性质和行为。

在等离子体物理研究中，准确测量和分析等离子体参数是至关重要的。

等离子体诊断技术提供了一系列工具和方法，用于探测和研究等离子体的性质和行为。

本文将介绍几种常用的等离子体诊断技术，并探讨它们在等离子体物理研究中的应用。

一、光谱诊断技术光谱诊断技术是一种通过测量等离子体辐射光谱来获取等离子体参数的方法。

利用光谱仪和光电探测器，可以获取等离子体中的电子密度、温度、离子浓度等信息。

其中，基于精确测量等离子体辐射谱线强度和形状的方法，如测量波长位移和线宽等，可以获得等离子体的流体参数，并进一步研究等离子体的动力学行为。

二、散射诊断技术散射诊断技术是一种通过测量等离子体中散射光的性质来推断等离子体参数的方法。

通过测量等离子体中的散射光的强度、偏振和波长等，可以推算出等离子体中的粒子密度、温度、流动速度等信息。

其中，拉曼散射和汤姆逊散射是常用的等离子体诊断技术，可以用来研究等离子体的密度梯度、流体运动以及离子温度等。

三、探针诊断技术探针诊断技术是一种通过测量等离子体中的电子或离子电流来推断等离子体参数的方法。

利用探头与等离子体相互作用，可以测量电子温度、电子密度、离子密度等参数。

常用的探针诊断技术包括电子探针和离子探针。

电子探针通过测量电子引出电流和电压的关系，可以得到等离子体的电子温度和电子密度。

离子探针则通过测量离子引出电流和电压的关系，可以获得等离子体的离子密度。

四、辐射诊断技术辐射诊断技术是一种通过测量等离子体辐射强度和能谱来推断等离子体参数的方法。

辐射诊断技术可以提供等离子体的电子温度、电子密度、离子浓度以及辐射湮没通量等信息。

常用的辐射诊断技术包括软X射线诊断、硬X射线诊断、γ射线诊断等。

这些技术可以用于研究等离子体中的能量输运、等离子体的辐射特性以及等离子体与壁面相互作用等。

综上所述，等离子体诊断技术在等离子体物理研究中起着重要的作用。

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。

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。

等离子体分析实验报告摘要: 本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，并简要介绍了等离子体的应用,最后对实验结果进行讨论。

关键词:等离子体、单探针、双探针(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）实验目的1，了解气体放电中等离子体的特性。

2，利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。

（三）实验原理1，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e T 。

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e n ，正离子密度为i n ，在等离子体中e i n n 。

（3）轴向电场强度L E 。

表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能e E 。

（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一所示。

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。

探针法对比光谱法的等离子体参数测量0730******* 黄志鸿摘要：DH2005型直流辉光等离子体实验装置被广泛用于等离子体参数测量的教学实验。

本文利用郎缪尔探针法测量了等离子体的电子温度，分析了压强、功率对等离子体电子温度的影响。

并且在此基础上利用改变双探针对于等离子体相对位置的方法实现了利用此实验装置双探针测量等离子体横向各唯象结构相对参数，并且对比光谱法测量结果，提出自动化测量的实验方案。

关键词：等离子体郎缪尔探针光谱自动化1.引言等离子体（plasma），一种由电子和带电离子为主要成分组成的物质形态，整体呈电中性。

宇宙中大部分物质是以等离子体的形式存在的，故等离子体常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

等离子体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。

2.郎缪尔探针法测量等离子体的电子温度。

Langmuir 探针基本上可以认为是一根插入等离子体中的裸丝，与物理学中其他的“探针”相似，如“试探电荷”等等。

一般要求这种探针对其所要测量的物理参量不会有较大的影响，但实际上，任何形式的测量都是对环境参量的一种改变。

Langmuir 探针发挥作用的原理就在于其对周边局部环境的改变。

由动量守恒定律，等离子体中质量远大于电子的离子，在速度上远小于电子，所以在极短时间内，探针上会积累相当数量的负电荷。

从而使探针上电位与未受探针干扰的等离子体的电势为负值。

这样的电势吸引正电荷，排斥负电荷，从而在探针表面形成了一个正的空间电荷层，称为离子鞘。

离子鞘进一步增厚直至最终进入探针表面的正离子电流与电子电流的大小相等。

此时探针的净电流为零，但这种体系是一种“动平衡”就像一个蓄水池一样，一根水管进入，一根水管流出，而总水量是不变的。

这个鞘层是探针的“势力范围”，其内部所有的电子都会参与形成电流，当探针电压增大时，单位时间内有更多的电子被吸附到探针上，如果我们假设鞘层厚度不变，那么当探针电压增大到一定程度时，鞘层内部电荷是有限的，全部被吸附后，就不能继续增大，即出现了饱和电流。

等离子体诊断等离子体诊断是一种用于研究和监测等离子体物理性质的重要方法。

等离子体是四态物质之一，具有高度激发的能级结构和复杂的动力学特性。

了解等离子体的性质对于物理、天文学、核能以及工程应用等领域具有重要意义。

本文将介绍一些常用的等离子体诊断技术和方法。

一、测量等离子体参数的方法1. 光谱诊断技术光谱诊断技术是通过分析等离子体辐射光谱来推断等离子体参数的方法。

这种方法直接测量等离子体发射的光谱特征，通过光谱线的强度、形状和位置等参数，可以确定等离子体的温度、密度、电子浓度和离子浓度等重要参数。

常见的光谱诊断技术包括发射光谱诊断和吸收光谱诊断。

2. 电子探测技术电子探测技术是通过测量等离子体中电子的性质来诊断等离子体参数的方法。

常见的电子探测技术包括电子能谱仪、隧道电子显微镜等。

这些技术可以测量等离子体中电子的能谱分布、能量分布以及动力学行为等信息，从而获得等离子体的电子温度、电子密度和电子运动速度等重要参数。

3. 粒子束探测技术粒子束探测技术是通过引入粒子束或束流入等离子体中，测量粒子束和等离子体相互作用的特性来推断等离子体参数的方法。

常见的粒子束探测技术包括电子探针、中性粒子能量分析器等。

这些技术可以测量等离子体中粒子的能量、分布、漂移速度等参数，从而获得等离子体的密度、温度和流动速度等重要信息。

二、等离子体诊断的应用领域1. 核聚变研究等离子体诊断在核聚变研究中起着至关重要的作用。

核聚变是太阳和恒星中常见的反应过程，也是人类研究和利用等离子体能源的目标之一。

通过等离子体诊断技术可以获取核聚变等离子体的温度、密度、离子浓度等参数，为核聚变实验和应用提供重要依据和参考。

2. 等离子体物理研究等离子体物理研究是指研究等离子体的基本性质、宏观行为和微观过程的学科领域。

等离子体物理研究广泛应用于天文学、物理学、材料科学、化学工程等多个领域。

通过等离子体诊断技术可以深入了解等离子体的性质和行为规律，为相关领域的研究和应用提供理论和实验依据。

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。

物理实验技术中的等离子体测量与实验方法等离子体是由离子和自由电子组成的物质状态，是宇宙中最常见的物质形态之一。

等离子体的研究对于了解宇宙演化、太阳风、核聚变等具有重要意义。

在物理实验技术中，等离子体测量和实验方法的发展对于深入研究等离子体的性质和行为具有关键意义。

一、等离子体概述等离子体是一种带电气体，它的主要成分是电离的气体分子和自由电子。

等离子体通常呈现出高度非线性和非平衡的性质，其物理性质与普通气体等有很大不同。

等离子体在自然界中广泛存在，如闪电、太阳大气、星际空间等。

二、等离子体测量技术1. Langmuir探针Langmuir探针是一种常用的等离子体测量方法，其基本原理是利用探针表面上电流-电势特性的非线性关系来推断等离子体的电子密度、温度与电势等参数。

Langmuir探针具有简单、灵敏和广泛适用性的优点，广泛应用于等离子体诊断和实验研究中。

2.微波干涉测量法微波干涉测量法是一种非侵入性的等离子体测量技术，其原理是利用微波在等离子体中传播时的相位差来推断等离子体的折射率。

通过测量这种相位差的变化，可以获得等离子体的电子密度和电子温度等信息。

微波干涉测量法具有良好的时间和空间分辨率，对等离子体的测量具有重要意义。

三、等离子体实验方法1. 磁约束等离子体实验磁约束等离子体实验是一种常见的等离子体物理研究方法，通过在等离子体周围施加磁场，将等离子体束缚在磁场线上。

这种方法可以有效地防止等离子体与环境相互作用，实现对等离子体行为的准确观测。

2. 惯性约束聚变实验惯性约束聚变实验是一种利用高温等离子体进行核聚变研究的方法。

在实验中，通过激光或者加热等方法将等离子体加热到足够高温，使核融合反应发生。

通过观测等离子体的行为和反应过程，可以研究核聚变的可行性和产能等问题。

四、等离子体测量与实验的挑战与展望等离子体测量与实验面临着许多挑战，如等离子体的非线性行为、边界效应影响等。

随着科技的进步，研究人员在物理实验技术中不断创新，提出了许多新的测量与实验方法。

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。