浅谈朗缪尔探针诊断系统的原理和发展
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等离子体技术以应用-2-2-静电探针法(朗谬尔探针)讲解
(3.3) (3.4)
其中Ie0 和Ii0 的单位是mA，电子浓度ne0 和离子浓度ni0 相等，单 位为cm-3鞘层表面积等于探针表面积挂AP, 单位是cm2，电子温 度和离子温度单位为eV, A 是离子的原子量，探针鞘层电压
VP U P VSP
（3.5）
带电粒子经过鞘层的电流 I e I e0 exp[eVP (kTe )] I e0 I i I i 0 exp[ eVP (kTi )] I i 0
（一）静电单探针的使用条件及其伏安特性 使用单探针的条件如下： (1 ）被测空间是电中性的等离子体空间，电子浓 度ne和正离子浓度 ni相等，电子与正离子的速度满足麦 克斯韦速度分布，它们的温度分别为Te和Ti； (2 ）探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面 积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探 针的面积相等； (3 ）电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度 λD 大， 这样就可忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激 发和电离； (4）探针材料与气体不发生化学反应； (5）探针表面没有热电子和次级电子的发射。
ne0 ni 0 3.7 108 I e0 ( AP kTe )
（3.16）
其中neo、nio 、单位是cm-3， Ieo单位是mA， Ap单位是cm2， KTe单位是eV。
这样利用（3.15）、（3.16）式就可以计算出等离子体 的电子温度Ti 和等离子体密度ne 、 ni （电子密度和离子密 度）。
（3）离子饱和区 当鞘层电压降
（3.18） 时，电子被完全拒斥，探针电流由纯离子流组成，即
VP U P VSP 0
I P I i I i 0 exp[ eVP
(kTi )] I i 0
高性能朗缪尔探针测量仪的研制
高性能朗缪尔探针测量仪的研制
张蜜蜜;程健;李想
【期刊名称】《测控技术》
【年(卷),期】2013(032)001
【摘要】简要介绍了朗缪尔探针测量仪的系统构成和工作原理,给出了信号发生及采集处理系统的电路设计.通过选用精密低噪声的仪用放大器并组合适当大小、适宜材料的电阻和电容构建模拟链路,以及贯穿于整个模拟链路的滤波电路设计,保证了低噪声采集电路的实现.采用高边检流和浮地方法,解决了单探针测量接地误差问题.设计有8×7个不同的电流采样量程,电压电流信号同步采样,可实现10nA～50 mA动态微弱信号的精确测量.
【总页数】4页(P48-51)
【作者】张蜜蜜;程健;李想
【作者单位】中国科学技术大学信息科学技术学院自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学信息科学技术学院自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学信息科学技术学院自动化系,安徽合肥230027
【正文语种】中文
【中图分类】TH862
【相关文献】
1.ITER偏滤器朗缪尔探针的设计与研制进展 [J], 赵伟; 金羽中; 周红霞; 钟光武; 聂林; 刘春佳
2.ITER朗缪尔探针系统初步设计与研制 [J], 赵伟;王雅丽;金羽中;赵丽;周红霞;钟光武;聂林;刘春佳
3.朗缪尔探针在射频离子源中的扰动仿真研究 [J], 侯文琦;阳璞琼;刘波;关志全
4.国际热核聚变实验堆朗缪尔探针用高纯氧化铝陶瓷的制备 [J], 刘春佳;刘翔;练友运;宋久鹏;赵伟
5.基于探针法的土壤热物性原位测量仪研制及应用 [J], 张通;张延军
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利用朗缪尔双探针诊断电弧离子镀等离子体参数的开题报告
利用朗缪尔双探针诊断电弧离子镀等离子体参数的开题报告一、研究背景电弧离子镀是一种重要的表面处理技术，可用于制备具有高质量、高性能的薄膜和涂层材料。
电弧离子镀技术中，等离子体参数的控制对薄膜质量和性能具有重要影响。
因此，对等离子体参数进行准确的诊断和控制，对于优化薄膜制备过程和提高膜层质量具有重要作用。
近年来，利用Langmuir探针等方法对等离子体参数进行诊断成为研究热点之一。
然而，传统的Langmuir探针只能对等离子体进行局部的诊断，而整个反应室内等离子体参数的分布往往是非常复杂的，这限制了等离子体参数的准确诊断和控制。
为了克服这一限制，利用多探针方法进行诊断，如利用Langmuir-电子能量分布、Langmuir-电荷分布、Langmuir-振动分布等多种探针进行综合诊断，取得了一定的进展。
然而，这种方法需要使用多套探针，成本较高，且操作复杂。
二、研究目的为了提高等离子体参数的诊断和控制的效率和精度，本课题将采用Langmuir-电磁铁探针（Langmuir-Magnetron Probe，LMP）和Langmuir-磁感应力探针（Langmuir-Magnetic Force Probe，LMFP）构成一套“双探针系统”，以同时诊断等离子体离子参数和电子参数，实现整个等离子体参数的多点、综合的诊断。
三、研究内容1. 构建“双探针系统”：参考已有的LMP和LMFP的设计方案，自行设计并优化一套双探针系统。
2. 等离子体参数诊断：采用双探针系统对电弧离子镀等离子体进行诊断，将得到的LMP和LMFP的实验数据分别处理，得到等离子体离子参数和电子参数的分布。
3. 系统分析：通过分析等离子体参数分布的数据，得出整个等离子体的参数分布特征，发现存在的问题及原因，为进一步的研究和改进提供思路。
四、研究意义本课题的研究将为电弧离子镀等离子体参数的诊断和控制提供一种高效、精确、成本低廉的方法，从而为优化膜层制备过程和提高膜层质量提供重要的技术手段。
朗缪尔探针诊断系统的研制及其应用
Keywords: plasma diagnostic, Langmuir probe, data acquisition card, antijamming
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本 声明的法律结果由本人承担。
湿法刻蚀通常总是各向同性的有严重的钻蚀效应刻蚀后的图形边缘比较粗糙当结构尺寸小于10?m时就难以保证精度和重复性而要刻蚀线宽在3?m以下的图形则十分困难至于要刻蚀亚微米以下的图形几乎是不可能的21但等离子体刻蚀技术却能弥补上述不足为微电子技术的迅猛发展做出了巨大贡献
华中科技大学 硕士学位论文 朗缪尔探针诊断系统的研制及其应用 姓名：陈伟 申请学位级别：硕士 专业：脉冲功率与等离子体 指导教师：刘明海 20090531
[1,2,3]
。 现实生活中等离子体随处可见，如自然界中的太阳、电离层、极光、雷电等；而
日光灯、霓虹灯、电弧焊等则是由人工方法产生的等离子体。图 1.1 中所示为主要类 型的等离子体密度和温度的数值。从密度为 106 个/m3 的稀薄星际等离子体到密度为 1025 个/m3 的电弧放电等离子体，数值跨越近 20 个数量级。其温度分布范围从 100K 的低温到超高温核聚变等离子体的 108~109K[2]。 一般情况下，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子三种粒子。设它们的密度 分别为 ne，ni，nn，由于 ne≈ni（呈准电中性） ，故电离前气体分子密度为(ne+nn)。于是， 可以定义电离度 β=ne/(ne+nn)，由此来描述等离子体的电离程度[2]。日冕和核聚变中的 高温等离子体的电离度都是 100%，这种 β=1 的等离子体称为完全电离等离子体。电 离度大于 1%的称为强电离等离子体。像火焰中的等离子体大部分是中性粒子，其电
等离子体技术以应用-2-2-静电探针法(朗谬尔探针)解读
整个探针伏安特性 可以分成三个区域： （1）电子饱和区； （2）过渡区； （3）离子饱和区。
（3.6） （3.7）
（1）电子饱和区 这个区域的鞘层电压降
VP U P VSP 0
（3.8）
电子通过鞘层加速，但电子流不可能大于等离子体 能提供的Ie0 值，所以把这个区域叫做电子饱和区。 而这时离子通过鞘层受拒斥，达不到探针。因此这 时探针电流
单双探针的测量装置示于p65图3.1。 EP是探针电源, W是调节探针电压的电位器，UP和IP分别是 探针电压和电流。若以阴极为参考电极，VSP是探针所处空间的 等离子体电位，即探针电荷鞘层边缘等离子体的电位，VP表示 鞘层边缘相对探针的电位，那么探针电压 UP = VSP + VP （3.1）
图 3.2 是以阴极为参考电极时，探针的伏安特性。 横坐标是探针电压UP ，纵坐标是探针电流IP ,有 （3.2） I P Ie Ii
ne0 ni 0 3.7 108 I e0 ( AP kTe )
（3.16）
其中neo、nio 、单位是cm-3， Ieo单位是mA， Ap单位是cm2， KTe单位是eV。
这样利用（3.15）、（3.16）式就可以计算出等离子体 的电子温度Ti 和等离子体密度ne 、 ni （电子密度和离子密 度）。
( 3.27) ( 3.28)
I i 02 I e02 exp[eVp 2
(kTe )]
这里的离子饱和电流
I i 01 I i 02 1 en i 0 vi A p 4
( 3.29) ( 3.30)
饱和电子流
I e 01 I e 02 1 en e 0 ve A p 4
VP1 V1 VSP
（3.6） （3.7）
（1）电子饱和区 这个区域的鞘层电压降
VP U P VSP 0
（3.8）
电子通过鞘层加速，但电子流不可能大于等离子体 能提供的Ie0 值，所以把这个区域叫做电子饱和区。 而这时离子通过鞘层受拒斥，达不到探针。因此这 时探针电流
单双探针的测量装置示于p65图3.1。 EP是探针电源, W是调节探针电压的电位器，UP和IP分别是 探针电压和电流。若以阴极为参考电极，VSP是探针所处空间的 等离子体电位，即探针电荷鞘层边缘等离子体的电位，VP表示 鞘层边缘相对探针的电位，那么探针电压 UP = VSP + VP （3.1）
图 3.2 是以阴极为参考电极时，探针的伏安特性。 横坐标是探针电压UP ，纵坐标是探针电流IP ,有 （3.2） I P Ie Ii
ne0 ni 0 3.7 108 I e0 ( AP kTe )
（3.16）
其中neo、nio 、单位是cm-3， Ieo单位是mA， Ap单位是cm2， KTe单位是eV。
这样利用（3.15）、（3.16）式就可以计算出等离子体 的电子温度Ti 和等离子体密度ne 、 ni （电子密度和离子密 度）。
( 3.27) ( 3.28)
I i 02 I e02 exp[eVp 2
(kTe )]
这里的离子饱和电流
I i 01 I i 02 1 en i 0 vi A p 4
( 3.29) ( 3.30)
饱和电子流
I e 01 I e 02 1 en e 0 ve A p 4
VP1 V1 VSP
低温氮等离子体朗缪尔双探针诊断
低温氮等离子体朗缪尔双探针诊断Abstract: The low temperature nitrogen plasma was diagnosed and analyzed by Langmuir double probe method, and the electron density and electron temperature of nitrogen plasma were obtained. The effect of different RF power , discharge pressure and axial distance on plasma parameters was studied by Langmuir double probe. The results showed that when the discharge pressure and axial distance were constant, the electron temperature decreased with the increase of discharge power; when the RF power and axial distance were constant, the electron temperature increased with the increase of discharge pressure; and when the RF power and discharge pressure were constant, the electron temperature in creased with the in crease of axial distance. On the other hand, the electron density in creased with the increase of power, decreased with the in crease of pressure, and decreased with the increase of axial dista nee.Key words：Low temperature nitrogen plasma; Langmuir double probe; Electron temperature; Electron density电感耦合等离子体是-•种低气压、高密度等离子体。
朗缪尔探针诊断脉冲激光锡等离子体特性
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。
朗缪尔双探针原理
朗缪尔双探针原理
朗缪尔双探针是一种用于测量等离子体参数的诊断工具，特别是在低温等离子体研究中。
它由两根暴露于等离子体中的金属探针组成，通过测量探针之间的电流-电压特性来获取等离子体的电子温度、密度和空间电位等信息。
朗缪尔双探针的工作原理基于等离子体中的电子和离子在探针表面的行为。
当两探针之间施加一定的电压差时，由于电子和离子的运动方向相反，会在探针间形成电流。
电子从高电位探针向低电位探针运动，而离子则相反。
通过改变电压差并记录电流的变化，可以得到探针的I-V特性曲线。
在朗缪尔探针的典型I-V曲线中，可以观察到几个特征区域：
1. 离子饱和区：在这个区域，低电位探针相对于等离子体处于负电位，吸引离子而排斥电子，因此电流主要由离子流决定，达到一个饱和状态。
2. 过渡区：随着电压差的增加，探针开始吸引电子，电流随之增加。
这个区域的电流变化包含了等离子体电子能量分布的信息。
3. 电子饱和区：当高电位探针相对于等离子体处于正电位时，会
吸引电子而排斥离子，电流主要由电子流决定，同样达到一个饱和状态。
通过对I-V曲线的分析，可以计算出等离子体的电子温度 通过过渡区的斜率）、电子密度 通过电子饱和电流）以及等离子体的空间电位 通过曲线的特征点）。
朗缪尔双探针方法简单且成本低廉，但可能会对等离子体产生一定的干扰，因此在实际应用中需要谨慎操作。
此外，该方法假设等离子体是准中性的，且电子和离子的温度不同，这在某些等离子体条件下可能不成立。
等离子体电子工程补充材料(1)-朗缪尔探针
补充：朗缪尔探针 向等离子体中插入一根极小的电极（探针，probe） ，然后加上电 压 VB ，测定流过探针的电流 I，可得到图中实线所示额电流 -电压特性 曲线。从测量数据可以求得等离子体的密度、电子温度、等离子体电 位和悬浮电位。这是一种较为简单、常用的测量方法，被称为朗缪尔 探针法，或称为探针法。当探针的尺度远远大于德拜长度时，可以把 图 3.7 中的容器壁视为探针电极。设这时容器壁的电位为 x 、而且它 与等离子体对地电位 Vp 和探针电压 VB 之间满足 w (V p VB ) ，则本章 的鞘层理论可以适用。由公式（3.61）可知，探针电流是图中虚线所 示的电子电流 I e 与离子电流 I i 之和。根据探针偏压，可将电流曲线划 分为 A、B、C 三个区域。对于深度负偏压区域 A，由于电子几乎不 能进入探针，所以探针电流是离子饱和电流 I is 。对公示（3.59）乘以 电荷 e 和探针面积 S，可得到该电流值
Ie n0 e ve e (VB Vp )/ Te Se ，即 ln I e e(VB V p ) / Te 4
图 探针的电流-电压特性 这里，由于电子电流（ I e I I i ）按指数函数增大，所以其对数 值 ln I e 与电压 VB 间的关系是一条直线。这条直线的斜率的倒数为
Te / e ，故由此可求得电子温度。求出 Te 后，由 I is 或者 I es 便可求得等
离子体密度 n0 。悬浮电压 VF 可作为 I p 0 时的偏压而求出，等离子体 电位 Vp 是随探针偏压的增高而偏离指数增大关系、进入饱和时的电 压。 上述等离子体中只插入一根电极的探测方法称为单探针（single probe）法，插入两根的称为双探针（double probe）法，插入三根的
Ie n0 e ve e (VB Vp )/ Te Se ，即 ln I e e(VB V p ) / Te 4
图 探针的电流-电压特性 这里，由于电子电流（ I e I I i ）按指数函数增大，所以其对数 值 ln I e 与电压 VB 间的关系是一条直线。这条直线的斜率的倒数为
Te / e ，故由此可求得电子温度。求出 Te 后，由 I is 或者 I es 便可求得等
离子体密度 n0 。悬浮电压 VF 可作为 I p 0 时的偏压而求出，等离子体 电位 Vp 是随探针偏压的增高而偏离指数增大关系、进入饱和时的电 压。 上述等离子体中只插入一根电极的探测方法称为单探针（single probe）法，插入两根的称为双探针（double probe）法，插入三根的
朗谬尔探针诊断直流脉冲等离子体
中图 分 类 号 Ｏ４ １ 文 献 标 识 码 ６ Ａ 文 章 编 号 １ ７ — ３ １ ２ ０ ） ２ ０ ７ － ５ ６ ２４ ２ （ ０ ８ ０—０ ７０
Ｌａ ｍ ｕ ｒ Ｐｒ ｂ ａ ｎｏ ｔｃ ｆ ＤＣ ｌ ｅ — ａ ｍ ａ ｎｇ ｉ ｏ ｅ Ｄｉ ｇ ｓ ｉ ｓ ｏ Ｐｕ ｓ ｄ Ｐｌ ｓ
实验 装 置 如 图 １所 示 ， 离 子 渗 氮 炉 作 为 放 电 用
室 产 生 等 离子 体 ． 体 的 电 流 、 炉 电压 波 形 分别 通 过
过 程 中 ， 离子 体 参数 是影 响处 理效 果 的重要 因素 ， 等 因此考 察脉 冲 等离 子体 各参 数 随 时间 的变化 情况 对 于 探讨 表 面处 理过 程 中 等离子 体 的作用 机制 有重 要 意 义 ． 少 研 究 者 在 这 方 面 做 了 探讨 口 ］但 探 讨 对 不 ， 象 多 数是 用 于 薄 膜 沉积 的磁 控 溅 射 等离 子 体 ． 文 本 则 主要 探讨 用 于渗 氮 的 １ｋ 直 流脉 冲等 离子 体． Ｈｚ 朗谬尔 探 针是 获得 等 离子体 参 数 的一种 简便 而 重 要 的方 法． 实 验 所 工 作 的 压 强 为 １ ０Ｐ 本 ０ ａ左右 ， 不存 在 外磁 场 ， 探针 采 用钨 丝等 ， 足 朗谬 尔探针 的 满 使 用条 件 ．
Ｖ Ｏ ． ７ Ｎｏ． １２ ２
Ｊ ｎ ２ ０ ｕ．０８
朗谬 尔 探 针 诊 断直 流 脉 冲等 离 子 体
蓝加平， 孙奉娄
（ 中南 民族 大 学 电子 信 息 工程 学 院 ， 汉 ４ ０ ７ ） 武 ３ ０ ４
摘 要 采 用 朗谬 尔 双 探 针 对 工 作 频 率 为 １ｋ 、 Ｈｚ 占空 比 为 １ 的直 流 脉 冲等 离 子 体 在 气 体 分 别 为 空 气 、 气 和 氩 ５ 氨 气 ， 冲 电 压 为 ６ ０Ｖ， 强 为 １ ９ ａ 件 下 进 行 了诊 断 ， 到 了 电子 密 度 、 脉 ０ 压 ０ 条 Ｐ 得 电子 温 度 在 一 个 脉 冲 周 期 内 随 时 间变 化 的 情 况 ． 采 用 空 气 放 电 时 测 量 了辐 射 光 强 在 一 个 脉 冲 周 期 内 的 变 化 情 况 ． 对 脉 冲 激 励 下 的等 离 子 体 内 参 数 的 在 并 响 应 特 殊 现 象 进 行 了讨 论 ． 关 键 词 脉 冲 等 离 子 体 ； 谬 尔 探 针 ； 断 朗 诊
Ｌａ ｍ ｕ ｒ Ｐｒ ｂ ａ ｎｏ ｔｃ ｆ ＤＣ ｌ ｅ — ａ ｍ ａ ｎｇ ｉ ｏ ｅ Ｄｉ ｇ ｓ ｉ ｓ ｏ Ｐｕ ｓ ｄ Ｐｌ ｓ
实验 装 置 如 图 １所 示 ， 离 子 渗 氮 炉 作 为 放 电 用
室 产 生 等 离子 体 ． 体 的 电 流 、 炉 电压 波 形 分别 通 过
过 程 中 ， 离子 体 参数 是影 响处 理效 果 的重要 因素 ， 等 因此考 察脉 冲 等离 子体 各参 数 随 时间 的变化 情况 对 于 探讨 表 面处 理过 程 中 等离子 体 的作用 机制 有重 要 意 义 ． 少 研 究 者 在 这 方 面 做 了 探讨 口 ］但 探 讨 对 不 ， 象 多 数是 用 于 薄 膜 沉积 的磁 控 溅 射 等离 子 体 ． 文 本 则 主要 探讨 用 于渗 氮 的 １ｋ 直 流脉 冲等 离子 体． Ｈｚ 朗谬尔 探 针是 获得 等 离子体 参 数 的一种 简便 而 重 要 的方 法． 实 验 所 工 作 的 压 强 为 １ ０Ｐ 本 ０ ａ左右 ， 不存 在 外磁 场 ， 探针 采 用钨 丝等 ， 足 朗谬 尔探针 的 满 使 用条 件 ．
Ｖ Ｏ ． ７ Ｎｏ． １２ ２
Ｊ ｎ ２ ０ ｕ．０８
朗谬 尔 探 针 诊 断直 流 脉 冲等 离 子 体
蓝加平， 孙奉娄
（ 中南 民族 大 学 电子 信 息 工程 学 院 ， 汉 ４ ０ ７ ） 武 ３ ０ ４
摘 要 采 用 朗谬 尔 双 探 针 对 工 作 频 率 为 １ｋ 、 Ｈｚ 占空 比 为 １ 的直 流 脉 冲等 离 子 体 在 气 体 分 别 为 空 气 、 气 和 氩 ５ 氨 气 ， 冲 电 压 为 ６ ０Ｖ， 强 为 １ ９ ａ 件 下 进 行 了诊 断 ， 到 了 电子 密 度 、 脉 ０ 压 ０ 条 Ｐ 得 电子 温 度 在 一 个 脉 冲 周 期 内 随 时 间变 化 的 情 况 ． 采 用 空 气 放 电 时 测 量 了辐 射 光 强 在 一 个 脉 冲 周 期 内 的 变 化 情 况 ． 对 脉 冲 激 励 下 的等 离 子 体 内 参 数 的 在 并 响 应 特 殊 现 象 进 行 了讨 论 ． 关 键 词 脉 冲 等 离 子 体 ； 谬 尔 探 针 ； 断 朗 诊
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广、 获得信息量丰富等特点， 成为了低温等离子体诊断领域中极其
／ 重要的分析工具 １朗缪尔探针的结构 朗缪 尔探针可 以认为是伸人等离子体 中的一个很小 的电极。 这 图 １ 个电极可以有各种不 同的形状和大小 ， 这主要取决于具体的实验要 如在气 压高 于 １ ０ Ｐ ａ时 ， 探针半径接近离子的平均 自由程 ， 从而扰动 求。通常 ， 常用 的电极形状为圆球形 、 柱形和平板形三种。将此 电极 插入等离子体 中 ， 在 它上面相对于另一个 电极 施加偏置 电压 ， 由此 了等离子体 中的电荷分布 ， 会 造成 Ｉ Ｖ曲线的失真变形 ， 导致收集到 的离子流偏低 ， 等离子体 密度偏小 ； 磁场和碰撞会使 饱和 电子 流的 可以收集等离子体 中的电子 电流和离子电流。 探针包括 针头 ， 补偿 电极 和参考 电极 三个部分 ， 为 了便 于更换 ， 大小和拐点 的弯 曲度降低 ， 从 而使 等离子体 空间电位 很难 测量 。这 通常针头采用插入式 。针头应采用高熔点 的金属材料或石 墨制作 ， 些因素在具体 的实验过程 中都需要考虑并 加以修正 。 ３ 朗缪尔探针诊断的条件和优点 其 中钨丝的使用最 为普遍 。 根据具体需求 的不 同， 探 针的使用 方法也各不相 同。如果 以接 ３ ． １ 条件 地 的金属 真空室壁为另一 个电极 ， 则 成为单探针方 法 ， 这 时与等离 ａ． 等离子体的环境必须为电中性 。 子体接触的两个探 针表 面积相差几个数量级。 如果向等离子体 中插 ｂ ， 平均 自由程大于探针尺寸 ， 即等离子体是稀薄的。 ｃ． 入两个面积相同的技术探针 ， 则成为双探针方法 。 在有些情况下 ， 为 探针 尺寸大干鞘层 。 了获得一个等离子体环境中的大量信 息 ， 需要使用十探针等阵列探 ｄ ． 电子和离子速度分布都服从麦式分布。 电子和离子次级 电子发射均忽略 ， 也不与探针材料发生反应 。 针， 这就对数据 的传输和功率大小 的控制提 出了更高 的要求。 。． ￡ 不能受 到磁场强弱 的干扰。 ２ 朗缪 尔探针的工作原理 ３ ． ２ 优点 ２ ． １ 工作原理 ａ ． 探针测量所需的实验装 置比较简单 。 为 了测量探针的电流和电压 以及 获得 二者之间的特性关 系 ， 不 仅需要探针 ， 还需要 电压可调 的扫描 电源 ， 以及 Ｉ Ｖ测量数据 的采集 ｂ ． 只从探针数据 就可 以获得等离子体的大量参量 。 装备 。 采集设备通常 由 示 波器 、 ｘ Ｙ记录仪 、 电压表和计算机组成。 计 ４ 朗缪 尔探 针 的发 展 前 景 作 为一种最常 用的低温 等离 子体的诊 断方式 ， 朗缪尔探针仍有 算机软件部分 可使 用 Ｌ ａ ｂ ｖ ｉ ｅ ｗ程序编 写 ， 通过控 制前面板 的控件进 很 多方面值得我们研 究。如在磁化 等离子体 ， 射频等离子体 中朗缪 行操作 ， 简洁方便 。 化学活性等离子体探针诊 断中涉 从探针采集并测得的电压 一电流的关系 ，可 以得到 Ｉ Ｖ特 性曲 尔探针 的探针特性和受到的影 响 ， 及 的发射探针技术 、 悬 浮探针技术 、 电容耦合 探针技术 、 射频 阻抗探 线， 如图 １ 所示。
探 针的 Ｉ ｖ特性 曲线可以分为饱和 电子 电流 区（ ａ Ｊ ） ） 段、 饱和离子 针和等离子体震荡探针技术等。 随着探针 技术的发展和进步 ， 美国、 韩国 、 日本 、 德国、 俄罗斯 等 电流区（ ｄ ｃ ） 段、 过渡区（ ａ ｃ ） 段三个区域。 国家相继推出类似产 品， 并对 探针技术加以完善和推 广。国内大连 ｆ（ ａ ｂ ） ￣， 正离子受鞘层 的作用不能到达探针表面 ， 探针只能收 华 中科技大 学等高校走在前列 ， 进行 了相关 研究并取 得 集 到电子 ，探针 电流将趋 于饱 和从 而达 到电子饱 和电流值 ；在（ ｄ ｃ ） 理工大学 ， 但距离国际化的一 流水平还有一 定差距。随着各种研究 段， 电子受鞘层作用不能达到探针 表面 ， 只有正离子被探针 收集 ， 探 定成果 ， 在不 同条 件下 的探针技术 和使用方法不断 出现 ， 同时 针 电流趋 向于离子饱和 电流值 ， 其值远小于电子饱和电流值 ； 在（ ａ ｃ ） 工作 的进展 ， 段， 等离子体空 间电位高于探针 电位 ， 电子被排斥 ， 此时 Ｉ Ｖ曲线呈 也存在着可能遇 到的复杂 问题 ，如化学活探针作为诊断工具 等。因此 ， 朗缪尔 指数 函数关系 ， 从斜率可 以获得电子温度。 类似的 ， 通过对 Ｉ ｖ曲线 的处理 ， 可 以得到一系列 的等离子体基 探针诊断的研究工作仍有很大 的发掘潜力。 本参数 ， 如等离子体悬浮 电位 、 空间电位 ， 电子温度 、 离 子温度 、 电子 参 考 文 献 『 １ １ 邓新绿． Ｌ Ａ Ｎ Ｇ ＭＩ Ｕ Ｒ探针试验 ． 大连理 工大 学物理 系， 三 束材料 改 密度 、 离子 密度 、 电子能量分布 函数等 。
科 技 论 坛
・ １ ５ ９ ・
浅谈 朗缪尔探 针诊 断系统 的原理 和发展
蒋俊 彦 张存柱 李 翔
（ 安徽理工 大学 电信学院 ， 安徽 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
摘 要： 朗缪 尔静 电探 针是对等 离子体性 质的诊断方法之一 ， 是 最古老和最常用的诊断 方法 ． 在扩展静 电探 针应用的过程 中， 各种静 电 探针的测量技 术得到不断完善和发展。本文将对使 用朗缪 尔探针对低 气压低温等 离子体进行诊 断的基本原理和发展前景进行初步探讨。 关键词 ： 等 离子体； 朗缪尔探针 ； 诊 断 近年来 ， 低温等离子体技术在物理 、 化学 、 材料科 学 、 微 电子 、 显 示等领域中得到 了广泛 的应用 ， 如何对等离子体参数进行有效 的控 制， 在实际应用 中具有了越来越重要 的作用 。控制等离子体参数的 重要前提就是能够准确 的获得等离子体 的各项参数 。 在众多的等离 子体诊 断手段 中 ， 朗缪尔探 针 以其 结构简单 、 操作 方便 、 适用 范围
广、 获得信息量丰富等特点， 成为了低温等离子体诊断领域中极其
／ 重要的分析工具 １朗缪尔探针的结构 朗缪 尔探针可 以认为是伸人等离子体 中的一个很小 的电极。 这 图 １ 个电极可以有各种不 同的形状和大小 ， 这主要取决于具体的实验要 如在气 压高 于 １ ０ Ｐ ａ时 ， 探针半径接近离子的平均 自由程 ， 从而扰动 求。通常 ， 常用 的电极形状为圆球形 、 柱形和平板形三种。将此 电极 插入等离子体 中 ， 在 它上面相对于另一个 电极 施加偏置 电压 ， 由此 了等离子体 中的电荷分布 ， 会 造成 Ｉ Ｖ曲线的失真变形 ， 导致收集到 的离子流偏低 ， 等离子体 密度偏小 ； 磁场和碰撞会使 饱和 电子 流的 可以收集等离子体 中的电子 电流和离子电流。 探针包括 针头 ， 补偿 电极 和参考 电极 三个部分 ， 为 了便 于更换 ， 大小和拐点 的弯 曲度降低 ， 从 而使 等离子体 空间电位 很难 测量 。这 通常针头采用插入式 。针头应采用高熔点 的金属材料或石 墨制作 ， 些因素在具体 的实验过程 中都需要考虑并 加以修正 。 ３ 朗缪尔探针诊断的条件和优点 其 中钨丝的使用最 为普遍 。 根据具体需求 的不 同， 探 针的使用 方法也各不相 同。如果 以接 ３ ． １ 条件 地 的金属 真空室壁为另一 个电极 ， 则 成为单探针方 法 ， 这 时与等离 ａ． 等离子体的环境必须为电中性 。 子体接触的两个探 针表 面积相差几个数量级。 如果向等离子体 中插 ｂ ， 平均 自由程大于探针尺寸 ， 即等离子体是稀薄的。 ｃ． 入两个面积相同的技术探针 ， 则成为双探针方法 。 在有些情况下 ， 为 探针 尺寸大干鞘层 。 了获得一个等离子体环境中的大量信 息 ， 需要使用十探针等阵列探 ｄ ． 电子和离子速度分布都服从麦式分布。 电子和离子次级 电子发射均忽略 ， 也不与探针材料发生反应 。 针， 这就对数据 的传输和功率大小 的控制提 出了更高 的要求。 。． ￡ 不能受 到磁场强弱 的干扰。 ２ 朗缪 尔探针的工作原理 ３ ． ２ 优点 ２ ． １ 工作原理 ａ ． 探针测量所需的实验装 置比较简单 。 为 了测量探针的电流和电压 以及 获得 二者之间的特性关 系 ， 不 仅需要探针 ， 还需要 电压可调 的扫描 电源 ， 以及 Ｉ Ｖ测量数据 的采集 ｂ ． 只从探针数据 就可 以获得等离子体的大量参量 。 装备 。 采集设备通常 由 示 波器 、 ｘ Ｙ记录仪 、 电压表和计算机组成。 计 ４ 朗缪 尔探 针 的发 展 前 景 作 为一种最常 用的低温 等离 子体的诊 断方式 ， 朗缪尔探针仍有 算机软件部分 可使 用 Ｌ ａ ｂ ｖ ｉ ｅ ｗ程序编 写 ， 通过控 制前面板 的控件进 很 多方面值得我们研 究。如在磁化 等离子体 ， 射频等离子体 中朗缪 行操作 ， 简洁方便 。 化学活性等离子体探针诊 断中涉 从探针采集并测得的电压 一电流的关系 ，可 以得到 Ｉ Ｖ特 性曲 尔探针 的探针特性和受到的影 响 ， 及 的发射探针技术 、 悬 浮探针技术 、 电容耦合 探针技术 、 射频 阻抗探 线， 如图 １ 所示。
探 针的 Ｉ ｖ特性 曲线可以分为饱和 电子 电流 区（ ａ Ｊ ） ） 段、 饱和离子 针和等离子体震荡探针技术等。 随着探针 技术的发展和进步 ， 美国、 韩国 、 日本 、 德国、 俄罗斯 等 电流区（ ｄ ｃ ） 段、 过渡区（ ａ ｃ ） 段三个区域。 国家相继推出类似产 品， 并对 探针技术加以完善和推 广。国内大连 ｆ（ ａ ｂ ） ￣， 正离子受鞘层 的作用不能到达探针表面 ， 探针只能收 华 中科技大 学等高校走在前列 ， 进行 了相关 研究并取 得 集 到电子 ，探针 电流将趋 于饱 和从 而达 到电子饱 和电流值 ；在（ ｄ ｃ ） 理工大学 ， 但距离国际化的一 流水平还有一 定差距。随着各种研究 段， 电子受鞘层作用不能达到探针 表面 ， 只有正离子被探针 收集 ， 探 定成果 ， 在不 同条 件下 的探针技术 和使用方法不断 出现 ， 同时 针 电流趋 向于离子饱和 电流值 ， 其值远小于电子饱和电流值 ； 在（ ａ ｃ ） 工作 的进展 ， 段， 等离子体空 间电位高于探针 电位 ， 电子被排斥 ， 此时 Ｉ Ｖ曲线呈 也存在着可能遇 到的复杂 问题 ，如化学活探针作为诊断工具 等。因此 ， 朗缪尔 指数 函数关系 ， 从斜率可 以获得电子温度。 类似的 ， 通过对 Ｉ ｖ曲线 的处理 ， 可 以得到一系列 的等离子体基 探针诊断的研究工作仍有很大 的发掘潜力。 本参数 ， 如等离子体悬浮 电位 、 空间电位 ， 电子温度 、 离 子温度 、 电子 参 考 文 献 『 １ １ 邓新绿． Ｌ Ａ Ｎ Ｇ ＭＩ Ｕ Ｒ探针试验 ． 大连理 工大 学物理 系， 三 束材料 改 密度 、 离子 密度 、 电子能量分布 函数等 。
科 技 论 坛
・ １ ５ ９ ・
浅谈 朗缪尔探 针诊 断系统 的原理 和发展
蒋俊 彦 张存柱 李 翔
（ 安徽理工 大学 电信学院 ， 安徽 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
摘 要： 朗缪 尔静 电探 针是对等 离子体性 质的诊断方法之一 ， 是 最古老和最常用的诊断 方法 ． 在扩展静 电探 针应用的过程 中， 各种静 电 探针的测量技 术得到不断完善和发展。本文将对使 用朗缪 尔探针对低 气压低温等 离子体进行诊 断的基本原理和发展前景进行初步探讨。 关键词 ： 等 离子体； 朗缪尔探针 ； 诊 断 近年来 ， 低温等离子体技术在物理 、 化学 、 材料科 学 、 微 电子 、 显 示等领域中得到 了广泛 的应用 ， 如何对等离子体参数进行有效 的控 制， 在实际应用 中具有了越来越重要 的作用 。控制等离子体参数的 重要前提就是能够准确 的获得等离子体 的各项参数 。 在众多的等离 子体诊 断手段 中 ， 朗缪尔探 针 以其 结构简单 、 操作 方便 、 适用 范围