[发明专利]柱状朗缪尔探针以及适用于低密度等离子体的测量方法

说明书

本发明提出了柱状朗缪尔探针以及适用于低密度等离子体的测量方法，探针包括：金属传感器、绝缘垫片、传感器保护管、探针绝缘支架、传感器主导线以及保护管辅导线；所述金属传感器的下方为传感器保护管，所述金属传感器和传感器保护管之间设置有绝缘垫片；所述金属传感器的末端连接传感器主导线，所述传感器主导线依次穿过绝缘垫片和传感器保护管并与探针外部电路相连；所述传感器保护管的末端连接保护管辅导线，并与探针外部电路相连；所述传感器保护管下方的部件为中空圆柱形的探针绝缘支架，所述保护管辅导线及传感器主导线均穿过探针绝缘支架。利用该探针测量得到的等离子体电子温度和电子密度等参数是准确可靠的。

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，尤其涉及柱状朗缪尔探针以及适用于低密度等离子体的测量方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

作为应用最广泛的等离子体诊断手段之一，朗缪尔探针的主要优势就在于能够同时获得多个等离子体参数以及具备很好的局域测量能力。在等离子体的静电探针诊断中，根据经典的朗缪尔探针理论，朗缪尔探针I-V特性曲线的一阶导峰值电势(即伏安特性曲线的拐点电势)就是等离子体空间电位；指数拟合I-V特性曲线过渡区的电子电流就能够得到等离子体的电子温度；利用电子温度和等离子体空间电位所对应的探针收集电流(即电子饱和收集电流)就能够进一步计算得到等离子体的电子密度。这种经典的朗缪尔探针数据处理方法也被称之为朗缪尔探针的拐点法。

另一方面，根据带电粒子的轨道运动限制(OML)理论，在低密度等离子体中，柱状朗缪尔探针I²-V曲线的电子饱和区的电流随着探针电势的增加应该近似呈线性增长，该线性关系的斜率即为等离子体的电子密度。这种数据处理方法也被称之为朗缪尔探针的OML法。

尽管朗缪尔探针已经被广泛地应用于低温等离子体的工业应用、实验室等离子体研究、甚至是空间电离层等离子体探测，然而目前的朗缪尔探针无论是在探针结构设计方面还是诊断技术方面仍然面临着严峻的挑战。

其中，最主要的挑战之一就是利用目前的朗缪尔探针仍无法实现低密度等离子体的准确测量。对于经典的朗缪尔探针拐点法，等离子体的准确测量，特别是电子密度的准确测量依赖等离子体空间电位测量结果的准确性、等离子体电子密度计算结果的可靠性以及电子饱和收集电流的定量准确性。

然而，在低密度等离子体中，对于传统结构的朗缪尔探针，探针的金属传感器很容易陷入与其相连的绝缘支架上的悬浮鞘层中，即形成“终端效应”。该效应会导致探针的金属传感器无法全面积收集等离子体信号，从而引起探针收集到的电子电流过小，最终导致所获得的等离子体电子密度往往是被低估的。

尽管有人已经提出，通过对平面朗缪尔探针或柱状朗缪尔探针增添一个与探针传感器同电势的保护环或是保护管，能够有效的改善绝缘支架所引起的“终端效应”。

然而，实际上，完全消除“终端效应”需要对朗缪尔探针进行精密且严谨的设计，探针保护部件与探针金属传感器之间任何外形(尺寸)上的差异都会引起新的“终端效应”。

还有，根据OML理论，柱状朗缪尔探针周围的鞘层也应该是圆柱形的，基于柱状的鞘层理论，探针I²-V曲线电子饱和区的电流随着探针电势的增加应该近似呈线性增长。

但是，在低密度等离子体中，大量的实验数据表明，柱状朗缪尔探针周围的鞘层往往更趋近于椭球形，这种椭球形的鞘层会导致I²-V曲线中电子饱和区电流的增加越来越快，即偏离理论预言的线性增长。

因此，利用现有的OML理论数据处理方法，通常无法获得可靠的等离子体电子密度。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了柱状朗缪尔探针，以解决目前无法利用朗缪尔探针准确测量低密度等离子体的问题。