等离子体物理诊断..

绝缘真空密封
Ie0
A
绝缘套
I
V
VF
10 20 30 参考电极 p
-30 -20 -10
Ii0
实际操作步骤和电路
实际静电探针测量线路，X，Y表示X-Y记录仪的输入端
V VR V p
计算时，首先将横轴向下移至饱和 离子流处，然后纵轴取对数，测量 过渡段的斜率，其倒数就是以eV为 单位的电子温度。因为电流取了对 数，结果和电流的单位无关，也和 电压的零点无关。
对于氢等离子体，Z＝1，Si＝S
2kTe I i0 N i e S 2 1015 N i kTe S mi
但是
Vp不容易直接测量，而只能测量探针相对于某一参考电极 （例如：放电管的阴极、阳极、或与等离子体接触的管壁 等）的电位差V
V VR V p
VR是空间电位相对于该参考电极的电位差
e(V2 VF ) ln 2 Te e(V2 VF ) Te ln 2
四探针
当外加电压E = V2 - V1 > 4Te时，边缘等离子体密度（nea）、 温度(Tea)、空间电位(Vs)和极向电场(Ep)能由饱和离子电流和 各电位差导出：
nea I s /(0.5 Ae kTe / mi )
eVp I e I e0 exp( ) kTe
Ii0
eV p I I i0 ln( ) kTe I e0
p
eV p 故探针电流： I I e exp( ) I io kTe
kTe d (eV p ) d ln(I I i 0 )
当Vp＝VF时，I＝0
Ie0
A
eVF I e 0 exp( ) I i0 kTe
结构简单，电路简单；
饱和电子流太高； 与装置同地，容易引入干扰；
Ie0
A
Ii0
I e0 eVF ln( ) kTe I i0
pBiblioteka Baidu
I i 0 N i Ze
2kT e Si mi
由上已知，由I－V特性曲线可以得到很多重要的等离子体参数， 特性曲线可以通过逐点改变电压V来测得。但这样测量繁琐， 并且V中包含VR，在脉冲式或顺便的等离子体中，VR有较大的 变化，通常采用快速扫描法测量探针曲线。
绝缘套
V
参考电极
如果探针是孤立绝缘的
电子的热速度大，打到探针后积累负电荷，使探针的电 位相对于附近为扰动的等离子体电位（空间电位）有负 的电势差。
负电荷吸引产生离子鞘层。德拜波长数量级 。
不断积累，外围电子、离子打到探针上的数量一致后， 探针的收集电流为零，此时的电位为悬浮电位Vf （探 针相对于空间电位的值）
Vp＝VF时，I＝0 探针电流趋于饱和电流Iio
, 过渡区，探针电流为 VF V p 0
VF
-30 -20 -10 10 20 30 典型的静电探针的伏安特性曲线
VP VF ，电子电流进一步减小，
Ii0
p
简单条件
• 不存在强磁场； • 电子和离子的平均自由程大于探针尺寸，即等离子体是稀 薄的； • 探针周围的空间电荷鞘的厚度小于探针尺寸； • 空间电荷鞘以外的等离子体不受探针的干扰； • 电子和离子被探针完全吸收，无二次电子发射。
在实验中，可先从饱和离子流 的值和中间一段计算电子温度 Te，然后再计算离子密度，并 从电中性条件计算电子密度。 从静电探针测量不能得到离子 温度。 但是，在实际的实验中，特别 是电子密度不很高时，往往难 于确定饱和电子流Ie0，因为当 电压增加时，电流也持续增加。 达不到饱和。
单探针的优缺点：
强磁场将对其伏安特性曲线有强烈的影响
空间电荷鞘（预鞘）的形成
它的基本类型很简单，是一根难熔金属（钨、钼、钽）丝或棒，外面 一般用陶瓷管套上，仅留一小段暴露于等离子体。有时陶瓷管外还加 金属（不锈钢）管静电屏蔽。使用时，探针心加一可变直流电压，真 空室壁及屏蔽管接地。测量所加电压和通过电流，对所加电压进行扫 描可得到I-V特性曲线 绝缘真空密封 I
Tea 0.5 (V3 V4 ) / ln 2
Vs V f Te
E p (V3 V4 ) / d 34
Ti k me 2 ln 2 Z (1 ) e Te mi
静电探针方法中的几个问题
再对V微商
1 dIe1 1 dIe 2 e I e1 dV I e 2 dV Te
将 I e1 I i 0 I D
I e 2 I D I i 0 代入，得到
dI e I i20 I 2 dV Te 2I i 0
在I=0时，特别简单
eI i 0 dI ( ) I 0 dV 2Te
i ve
因此， I eo I i 0
p
绝缘真空密封 I
V
绝缘套
参考电极
Ie0
A
当Vp>0时，探针周围形成 电子鞘层，打到探针表面 上的离子流将趋于0，因此 探针电流趋于饱和电流。
VF
-30 -20 -10 10 20 30
I e0 2.5 10 Ne Se kTe
14
Ii0
电磁诊断
2008年4月18日
前言
是磁约束聚变装置上最基本的诊断方法 是一种简单易行的方法
可以提供非常重要的等离子体参数信息
是装置运行时对等离子体进行反馈控制的眼睛
对诊断原理进行简单的描述
对应用的实例进行介绍
项志遴，俞昌旋.《高温等离子体诊断技术》上、下册 上海科学技术 出版社 1983 第一版 Hutchinson I H, Principles of Plasma Diagnostics. Cambridge University Press (1987)
p
e0 当VF<VIp <0时，处于过渡区， 探针电流为电子电流与离子电 流之差，但由于电子要克服探 Vp 针表面的负电位，使其电子电 流随负电位的增大而减小。
ln(
I I i0
)
Ie0
A
由于鞘层外的电子是遵守 麦克斯韦分布的，电子电 流随Vp的变化规律为
VF
-30 -20 -10 10 20 30
按照
得到
eVp I I e0 exp( ) I i0 Te eV2 I e 0 exp( ) I i0 I i0 Te
I i0 eV2 ln 2 ln Te I e0
置探针3于悬浮电位，使其流过为零，根据 I e0 eVF ln( ) Te I i0 如果V2以VF为零点 直接得到电子温度
探针表面升温
当孤立探针放入到等离子体中时，其表面将处于稳定的悬浮电位VF， 并且在单位时间内打到探针表面的正负带电粒子流相等，因此单位面 积探针由于与等离子体的碰撞所接受到的功率为
3 2 m m v 1 1 1 i Pi mi vi2 vi dNi (vi ) mi vi2 4N i ( ) 2 vi2 exp( i i )dvi 2 4 8 2kT 1 2kT1 0
很容易从曲线的斜率得到电子温度。
I i 0 ni eS
D
Iio1
Te mi
Iio2
Ie1 Ie2
D
据离子电流强度求出离子密度，在低 温等离子体中，离子密度等于电子密 度
双探针（悬浮探针）的原理
两个探针尺寸一样。 伏-安曲线。
dI D dVD eI i 0 2kTe
测量不到悬浮电位

I D 0
D
Ie1 Ie2 Iio2
D
在两个饱和区域，电流决定于相应的离子流。如果两探针对称， 两饱和离子流相等。而中间段两探针的电流应遵循 eVp I e I e0 exp( ) Te 所以两电子电流的比 I e1 eVD exp( ) I e2 Te 取对数后为
ln I e1 ln I e 2 eV Te
me me ve 2 dNe (ve ) 4N e ( ) ve exp( )dve 2kTe 2kTe
Ne和Te均为鞘层外的电子密度和温度
3 2
2
v

dS
单位时间打在单位面积探针表面的电子数为

ve cos
0
dNe (ve ) 2 sin d 4
3/ 2
m N e 2KT e
m v2 2 ve exp( )dve 2 KT 0
2

/2
cos sin d
0
8KTe 1 1 Ne N e ve 4 me 4
电子平均速度
若探针收集的有效面积为Se，则单位时间内打在探针表面 的电子流为
2 KTe 1 1 I e 0 eN e ve S e eN e S e 4 2 me 1 I i 0 eN i vi S i 无规则热运动的结果 4
锯齿波两个 作用： 触发＋电压 变化
R
I
接示波器 水平扫描
锯齿波周期：几个微秒 差分放大器 原因两个： 分布电容的电流对信号产生 干扰 等离子体鞘的形成需要时间
对数电路
接示波器 垂直扫描
二、双静电探针
单探针在使用中存在一个大的问题，就是VR是不能 准确知道，而且经常是不稳定的。为克服这一困难， 有时使用双静电探针（简称双探针）。它是用两个 同样的静电探针安装在空间接近的位置，都对地绝 缘。
ah
探测原理
Vp＝0时： 单位时间内，以速度 e、与探针法向成角度 ，打到探针表面的次数为： dNe (ve ) ve cos 2 sin d 4 其中 是速度为 到 的电子的密度。电子符合3-D ve ve dve dNe Maxwellian ，可得：
I e0 eVF ln( ) kTe I i0
VF
-30 -20 -10
10 20
30
Ii0 只要实验中测出了悬浮电位VF，由上式就 可以求出电子温度kTe 两种方法
p
当Vp<VF时，电子电流将进 一步减小，最后探针电流 趋向于离子饱和电流，但 这里的电流不再是
Ie0
A
1 I i 0 eN i vi S i 4
第一种：
插入一个辅助悬浮探针， 它的表面与工作探针大 很多，它所收集的电子 流和离子流几乎相等基 本上处于悬浮电位上， 探针的偏压可以相对于 悬浮电位来测量
第二种——双悬浮探针法
两个表面积相近的探针均 对地绝缘。扫描电压VD加 在两探针之间。如果两探 针完全相同且所处等离子 体均匀，特性曲线应是相 对于原点反对称。 Iio1
VF
p
-30 -20 -10 离子流是以离子声速向探针 10 20 30 表面流动的 Ii0 由于Ii0与Ti无关，静电探针测量得不到 2kT e 关于 I i 0 N i Ze S i Ti的数据 I e0 2.5 1014 Ne Se kTe mi
为比例常数，0.4到1之间，Z为电荷数
如果给探针加上电压，使探针相对于空间的电 位差为Vp
若：
V p 0 ，探针周围空间将形成
电子鞘层，离子电流将趋于0，电子 饱和电流。 Vp＝0，处于A点，空间电荷鞘消 失，电子离子无规则的热运动打到探 针上，探测电流I＝Ieo-Iio
Ie0
A
电子电流和离子电流之差，由于电子 要克服探针表面的负电位Vp，因而 电子电流随负电位的增大而减小。
OUTLINE
第一部分：静电探针
探测原理：单探针、双探针、三探针、Mach探针、…… 应用实例
第二部分：磁探针：
各种磁探针的探测原理； 积分器原理和技术；
第三部分：磁探针的应用
等离子体位移、形状、位形测量 MHD不稳定性模式探测及磁岛形状反演
第一部分：静电探针
静电探针 又称Langmuir探针,是最早被用来测定等离子体特性的一种诊 断工具。可以根据其探针的伏安特性曲线导出等离子体的电子温度、密度 和空间电位等重要参数。 优点： •结构简单、具有空间分辨能力 •适用于低温等离子体的研究，甚至在高温等离子体的低温、低密度区域 缺点： 深入到等离子体内部测量，对等离子体有干扰，并与等离子体有强 烈的相互作用
测量公式：
2kT e I i 0 N i Ze Si mi
三探针
三探针诊断，可用静电探针系统直接测量等离子体的电子温度 一组三个同样的静电探 针置于等离子体内彼此 接近的位置。其中1，2 两探针间加上一个适当 的直流电压。由于它们 的电位是悬浮的，V2-V1 固定，会自动调整V1，V2 使得满足I1+I2=0。这时， I1为饱和离子流，I2为数 值等于（但符号相反） 离子流的电子流。