[发明专利]用于等离子体空间电位诊断的Langmuir发射探针

说明书

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，涉及一种接触式诊断方法，具体地说，是指一种用于等离子体空间电位诊断的Langmuir发射探针，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 等离子体的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)使用静电探针方法诊断等离子体，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，所以静电探针也称为Langmuir探针。

Langmuir探针可分为采集型探针和发射探针。(1)采集型Langmuir探针包括Langmuir单、双、三和四探针。工作时探针浸于等离子体中，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，因而采集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采集到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。(2)Langmuir发射探针的测量原理类似于Langmuir单探针，发射探针在不加热的情况下可以当成Langmuir单探针来使用。只是发射探针本身需要加一个加热电源，将探针加热，然后对探针进行电压扫描，同时进行电流采集即可。发射探针在加热电流的作用下，会向等离子体发射热电子，使探针的I-V曲线的拐点更加明显，从而等离子体空间电位的确定会更加精确。

尽管Langmuir采集型探针应用广泛，但是它用于测量等离子体的空间电位不够准确。因为应用Langmuir采集型探针在等离子体中进行测量时，探针表面的鞘层会跟随探针电压的增加而增厚，导致实际测量得到的I-V曲线，过渡区的拐点不明显，如图1所示，其中，I＝2A，冷探针条件下的曲线，这样将会导致对等离子体空间电位的测量结果不准确。而Langmuir发射探针在实际测量中需要增加一个用于探针钨丝本身的供电加热电路。工作时，探针在加热电源的加热下会向等离子体发射热电子，从而使得发射探针在加热状态下测量得到的I-V曲线中，过渡区的“拐点”较Langmuir采集型探针的“拐点”要明显得多，见图1中I＝2.2A，热探针条件下的曲线。由图可知，随着发射探针中加热电流的逐渐增加，曲线过渡区的“拐点”逐步明显，变得更为清晰易辩。使等离子体空间电位的确定更加准确。