[发明专利]用于等离子体诊断的圆柱形Langmuir探针

说明书

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，涉及接触式诊断方法，具体地说，是指一种用于等离子体诊断的圆柱形Langmuir探针。这种圆柱形Langmuir探针结构不仅可以应用在冷等离子体中，如辉光放电等离子体、电晕放电等离子体等；尤其适用于热等离子体中，如电弧等离子体、燃烧等离子体等。

背景技术

等离子体是物质的第四态，是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态。按等离子体温度，等离子体分为：

（1）高温等离子体：完全电离、电子温度和气体温度极高的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体等。

（2）低温等离子体：部分电离、电子温度较高的等离子体，又分为以下两类：

（A）热等离子体：气体温度较高的等离子体，如电弧、高频和燃烧等离子体等。

（B）冷等离子体：气体温度较低的等离子体，如辉光放电、电晕放电等离子体等。

等离子体作为物质的一种形态，不论其存在于自然界，还是在实验室产生，人们总希望能测定它的各种性质，以便与理论进行比较，掌握其运动规律。人们常常把对等离子体各种性质的测定和分析称为“诊断”。等离子体性质参数主要有：电子温度、等离子体粒子密度、等离子体粒子速度、等离子体电位及污染诊断等。等离子体参数诊断方法分为接触式和非接触式两种，接触式诊断方法需要将实验感应元件浸入到等离子体中，如朗缪尔（Langmuir）探针、法拉第探针等：而非接触式诊断方法则不需要，如辐射光谱法、激光诱导荧光法等。等离子体的测量参数及测量方法见表1。

表1等离子体测量参数及测量方法

由表1可知，Langmuir探针方法可以得到等离子体电位、粒子密度、粒子速度和电子温度等多种等离子体特性信息，并且Langmuir探针结构相对简单、可靠、制作成本低，所以得到了广泛的应用。Langmuir探针技术属于接触式测量的一种，是最早应用于等离子体诊断的有效工具。1923-1935年期间，朗缪尔（Langmuir）首次使用静电探针诊断等离子体，发展了基本方法和理论，对探针技术作了大量开创性的研究工作，所以静电探针称为Langmuir探针。

Langmuir探针是一个伸入等离子体中的导体，它可以有各种形状和大小，这取决于具体的实验要求，而最常用的有球形、圆柱和平板三种形状，制作探针的材料一般使用钨、金、铂、铱、石墨等。Langmuir探针工作时，将探针置于等离子体中，那么等离子体、探针和外部电路构成电流回路。探针的电势由外部电路的偏置电压决定，探针同等离子体之间存在有电势差，因而吸引等离子体中的带电粒子。探针电势的变化、空间位置的变化导致探针吸引的带电粒子的数量变化，反应为探针电路中的电流发生改变。探针吸收的电流同等离子体的状态有关，通过测量不同条件下的探针电流，得到探针的电压电流曲线，然后根据相应的探针理论进行分析和计算，就可以获得等离子体电位、温度、密度等参数。

图1是一个完整的探针诊断系统示意图。外电路对探针输入某种形式确定的电压信号以获得探针电流的响应，选择合适的理论模型分析探针的响应，计算出各种等离子体参数，如密度、温度、空间电位和分布函数等。一般认为，探针适用于对以下范围内等离子体诊断：

10²cm^-3<n_e，i<10¹³cm^-3，0.1eV<T_e<100eV，0.1V<V_s<10³V，中性气体压强P>10^-4Pa，其中n_e,i、T_e、V_s分别表示等离子体电子(离子)密度、电子温度和空间电位。

随着Langmuir探针诊断技术的发展，在单探针测量方法基础上，产生了双探针、三探针、四探针、发射探针、差分探针以及以上形式的复合探针等。不同种类型的探针有不同的优缺点和适用性，但基本原理都是一样。构成多探针的每个探针对等离子体的粒子的收集情况与单探针一样，并且相互之间满足外部电路配置。通过分析多探针的电流响应，得到相应的等离子体参数。

发明内容