等离子体诊断技术 探针测量

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。

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。

等离子体参数测量的实验步骤等离子体参数测量是研究等离子体物理特性和实现等离子体控制的重要手段之一。

本文将介绍等离子体参数测量的实验步骤。

一、等离子体参数测量的背景与意义在等离子体物理研究和应用中，了解等离子体的基本参数是非常重要的。

等离子体参数包括等离子体密度，温度，电荷态和等离子体的空间尺度等。

测量等离子体参数有助于深入了解等离子体行为和性质，对等离子体在聚变、等离子体技术和空间科学等领域的应用具有重要意义。

二、实验仪器和设备的准备在进行等离子体参数测量实验前，需要准备实验所需的仪器和设备。

主要的设备包括等离子体装置，测量仪器以及数据采集与处理系统等。

确保这些设备和仪器在工作状态下，以保证实验的顺利进行。

三、等离子体密度测量1. 电子密度测量电子密度是等离子体中电子数目的度量，可以通过激光干涉仪或微波干涉仪进行测量。

在测量前，需将激光干涉仪或微波干涉仪校准至稳定状态，并确保等离子体装置中的等离子体处于稳态工作状态。

实验中，激光束或微波信号被等离子体中的电子散射，通过测量散射光或回波信号的强度变化，可以计算得到等离子体中的电子密度。

2. 离子密度测量离子密度是等离子体中离子数目的度量，可以通过电测探针或固定探头电导率测量仪进行测量。

在测量前，需将电测探针或测量仪校准至稳定状态，并依据等离子体的性质选择合适的探针尺寸和参数。

实验中，将电测探针或测量仪放入等离子体中，测量电流或电导率的变化，通过计算可以得到等离子体中的离子密度。

四、等离子体温度测量等离子体温度是等离子体热运动的度量，可以通过测量等离子体中的电子或离子的能谱进行测量。

测量等离子体温度的常用装置包括扫描电子能谱仪和弹性后撤散射诊断系统。

在进行测量前，需将测量仪器校准至稳定状态，并确保等离子体发生器件处于合适的工作状态。

实验中，测量仪器通过测量能谱的形状、峰值的位置和宽度等参数，计算得到等离子体中的温度。

五、等离子体电荷态测量等离子体电荷态是指等离子体中带电粒子的电荷状态，包括离子的电子数目和电子的电离态等。

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”。

等离子体强度测定方法等离子体是指一种高温、高电离、高能量的物态，由等量的正离子和自由电子构成。

等离子体在自然界中广泛存在，例如太阳、闪电、电弧等等。

在工业和科学研究中，等离子体也扮演着重要的角色。

例如等离子体切割、等离子体喷涂、等离子体显示等等领域都有应用。

在研究等离子体的过程中，等离子体强度的测定是非常重要的一个参数。

等离子体强度的测定有多种方法，其中较为常用的包括光谱法、电子探针法、毫米波法等。

本文将主要介绍等离子体强度测定方法的原理和应用。

1. 光谱法光谱法是一种常用的等离子体强度测定方法。

该方法通过等离子体内原子或分子的光谱发射强度来确定等离子体的强度。

当等离子体受到外部能量刺激时，原子或分子中的电子被激发到高能级，然后在退回到低能级的过程中，会发射出特定波长的光子。

通过测量这些发射光子的强度，可以确定等离子体的强度。

2. 电子探针法电子探针法是一种直接测量等离子体强度的方法。

该方法通过向等离子体中发射电子束，并测量电子束被散射的角度和能量损失，来确定等离子体中自由电子的密度和温度，从而确定等离子体的强度。

3. 毫米波法毫米波法是一种非常灵敏的等离子体强度测定方法。

该方法通过向等离子体中发射毫米波，并测量毫米波被等离子体吸收和散射的程度，来确定等离子体的强度。

由于毫米波在等离子体中的传播和吸收特性与等离子体的密度和温度有关，因此可以通过测量毫米波的传播特性来确定等离子体的强度。

除了上述三种方法，还有其他一些测量等离子体强度的方法，例如微波法、激光诱导荧光法等等。

这些方法各自有其特点和适用范围，可以根据实际需要进行选择。

在工业和科学研究中，等离子体强度的测定是非常重要的一个参数。

例如，在等离子体切割中，需要控制等离子体的强度和位置，以便实现精确的切割。

在等离子体喷涂中，需要控制等离子体的强度和温度，以便实现良好的涂层质量。

在等离子体显示中，需要控制等离子体的强度和发光特性，以便实现明亮的显示效果。