等离子体诊断技术----探针测量

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。

·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。