等離子體診斷技術(shù)----探針測量

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1、等離子體診斷技術(shù)-------靜電探針測量1、等離子體診斷概述1.1目的及其在科學(xué)中發(fā)展的意義1.2需要診斷的內(nèi)容（等離子體參數(shù)）1.3常用的等離子體診斷手段和種類1.4實驗的可靠性和誤差1.5干擾與噪聲及其消除辦法1.6分辨率2、靜電探針診斷技術(shù)2.1探針的結(jié)構(gòu)2.2單探針的工作原理2.3雙探針的工作原理1.1目的及其在科學(xué)中發(fā)展中的地位等離子體診斷診斷：對等離子體性質(zhì)和狀態(tài)以及各種28參量（即表征等離子體性質(zhì)和狀態(tài)的物理量的測量是等離子體實驗研究和等離子體各項應(yīng)用需要首先解決的一個問題。等離

2、子體診斷技術(shù)是等離子體科學(xué)和技術(shù)的重要部分，是與等離子體科學(xué)相伴隨，相互促進(jìn)而同時發(fā)展起來的一個特殊學(xué)科和科學(xué)領(lǐng)域。1.2需要診斷的內(nèi)容（等離子參數(shù)）隨著等離子體科學(xué)和技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，在低溫等離子體中需要診斷的等離子體參量主要包括：等離子體中電子溫度及其時空分布等離子體中電子密度及其時空分布等離子體中離子溫度及其時空分布等離子體中離子密度及其時空分布等離子體中中性原子及其時空分布等離子體中反應(yīng)物及其中間產(chǎn)物的種類、密度及時空分布等離子體中雜質(zhì)原子、離子種類密度及其時空分布1.3常用的等離子體

3、診斷手段和種類適用于低溫等離子體的診斷手段診斷手段可測等離子體參數(shù)利用等離子體發(fā)射的光波（光譜）進(jìn)行診斷X射線電子溫度、電子密度、離子密度、等離子不穩(wěn)定性真空紫外光譜電子溫度、電子密度、離子溫度、離子密度、中性粒子密度紫外可見光譜電子溫度、電子密度、離子溫度、離子密度、中性粒子密度利用激光或電磁波與等離子體相互作用進(jìn)行等離子體診斷激光散射電子溫度遠(yuǎn)紅外激光干涉電子密度微波干涉電子溫度、電子密度激光熒光光譜原子密度、離子密度探針測量靜電探針測量（郎繆探針測量）電子溫度、電子密度、離子溫度、離子密度

4、、等離子體空間電位粒子測量質(zhì)譜粒子種類和密度1.4實驗的可靠性和誤差誤差系統(tǒng)誤差偶然誤差偶然誤差是各種已知條件保持恒定的情況下，由于各種不可控因素使測量結(jié)果表現(xiàn)出來的差異。誤差來源：測量本身的起伏和過程中的起伏。統(tǒng)計特性是精密測量誤差的極限。多次測量來減小偶然誤差。系統(tǒng)誤差是由于測量過程中某些確定的因素使得測量結(jié)果和被測量量之間產(chǎn)生偏差。例如：光電管測量入射光強(qiáng)時存在的暗電流本底；計數(shù)粒子束時，由于探頭失效時間而使計數(shù)損失等。偶然誤差通常偶然誤差隨機(jī)偶然誤差已知條件保持恒定變不變時，由于人為原因

5、造成的讀書誤差。是等離子體特有的一種誤差。干擾：由于外部因素引起的測量對象或測量結(jié)果的擾動和偏差。噪聲：內(nèi)在因素引起的統(tǒng)計性漲落。干擾與噪聲的來源干擾來源：空間電磁波、電源的噪聲和試驗系統(tǒng)本身的電磁干擾。由于很多等離子體系統(tǒng)是由各種放電產(chǎn)生的，所以放電對診斷的干擾時不可避免的。例如：磁探針對磁場的干擾；高溫等離子體本身會輻射電磁波，從無線電波到x射線都有，還有逃逸粒子1.5干擾與噪聲及其消除方法消除干擾的方法：靜電屏蔽、電磁屏蔽、靜磁屏蔽1.6分辨率在等離子體診斷中，分辨率是一個表示測量精確程度

6、的物理量，包括被測物理量大小的分辨率和時間空間分辨率。被測物理量大小的分辨率：指的是被測數(shù)據(jù)相差多大程度，才能通過測量手段區(qū)別或鑒別出來。時間空間分辨率：指的是所測物理量大小隨時間和空間變化的最小尺度。2、靜電探針診斷技術(shù)發(fā)展歷史：靜電探針稱為朗繆爾探針，由朗繆爾等人于1924年提出，已成為測量等離子體參量重要工具。另一個里程碑就是雙探針技術(shù)的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)?shù)入x子體密度范圍從幾個粒子/cm3到大于1014/cm3時，朗繆爾探針適合在如此寬的等離子體密度范圍內(nèi)服務(wù)。測量參數(shù)范圍等離子體密度100cm3~

7、1014/cm3等離子體溫度0.1eV~幾百ev等離子體電位Vp0.1keV~幾個keV2.1探針的結(jié)構(gòu)依據(jù)不同的用途，可以采用不同的探針進(jìn)行診斷，但探針的結(jié)構(gòu)基本相同。單探針結(jié)構(gòu)示意圖雙探針結(jié)構(gòu)示意圖1-銅導(dǎo)線；2-探針；3-第一屏蔽（耐火玻璃）；4-第二屏蔽（耐火玻璃）；5-聚四氟外套；6-氧化瓷套從探針的外形，又可把探針分為平板形探針，圓筒形和球形探針。探針形狀2.2單探針工作原理在一般的氣體放電研究中，往往利用朗繆爾探針來測量電子溫度、電子密度和離子密度等基本參量，基本測量原理如下圖所示

8、：1-探針電源；2-電壓表；3-電流表；4-放電真空室；5-陰極；6-陽極；7-探針；8-等離子體；9-穩(wěn)定電阻；10-放電電源若把一個金屬探針插入有自由電子和正離子組成的等離子體。探針電流為正離子電流和部分電離子電流的代數(shù)和，即單探針電壓特性Ip-探針電流；Vp-探針電壓；Vf-懸浮電位；Vs-等離子體空間電位Vf：當(dāng)探針電位增到某一定值Vf時，探針電流為零，即I=0，這時探針好像懸浮在等離子體中一樣，這個電位Vf稱為浮動電位。區(qū)域Ⅱ：離子電流飽和區(qū)。此時探針電位遠(yuǎn)低于等離子體電位，探針排斥所