探针法对比光谱法的等离子体参数测量

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1、探针法对比光谱法的等离子体参数测量07300720370黄志鸿摘要：DH2005型直流辉光等离子体实验装置被广泛用于等离子体参数测量的教学实验。本文利用郎缪尔探针法测量了等离子体的电子温度，分析了压强、功率对等离子体电子温度的影响。并且在此基础上利用改变双探针对于等离子体相对位置的方法实现了利用此实验装置双探针测量等离子体横向各唯象结构相对参数，并且对比光谱法测量结果，提出自动化测量的实验方案。关键词：等离子体郎缪尔探针光谱自动化1.引言等离子体（plasma），一种由电子和带电离子为主要成分组成的物质形态，整体呈电中性。宇宙中大

2、部分物质是以等离子体的形式存在的，故等离子体常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。2.郎缪尔探针法测量等离子体的电子温度。Langmuir探针基本上可以认为是一根插入等离子体中的裸丝，与物理学中其他的“探针”相似，如“试探电荷”等等。一般要求这种探针对其所要测量的物理参量不会有较大的影响，但实际上，任何形式的测量都是对环境参量的一种改变。Langmuir探针发挥作用的原理就在于其对周边局部环境的改变。由动量守恒定律，等离子体

3、中质量远大于电子的离子，在速度上远小于电子，所以在极短时间内，探针上会积累相当数量的负电荷。从而使探针上电位与未受探针干扰的等离子体的电势为负值。这样的电势吸引正电荷，排斥负电荷，从而在探针表面形成了一个正的空间电荷层，称为离子鞘。离子鞘进一步增厚直至最终进入探针表面的正离子电流与电子电流的大小相等。此时探针的净电流为零，但这种体系是一种“动平衡”就像一个蓄水池一样，一根水管进入，一根水管流出，而总水量是不变的。这个鞘层是探针的“势力范围”，其内部所有的电子都会参与形成电流，当探针电压增大时，单位时间内有更多的电子被吸附到探针上，

4、如果我们假设鞘层厚度不变，那么当探针电压增大到一定程度时，鞘层内部电荷是有限的，全部被吸附后，就不能继续增大，即出现了饱和电流。探针这种离子鞘的厚度一般可认为近似等于德拜长度，但在实际上这种近似并不确切.利用双探针测量等离子参数时，将探针电压负到正不断增大，得出双探针I-U曲线，利用一下公式即能求出等离子体各位置等离子参数。A1,A2分别为两探针的表面面积；V1,V2为电位；电压V=V1-V2≥0，i1+，i1-，i2+，i2-分别为：流过探针1，2的离子和电子电流。综合等离子体各位置相对参数如下：1对应于阳极暗区，2对应阳极辉光

5、区，3-4对应于正电柱，4-5之间存在法拉第暗区，5对应于负极辉光区，6对应于阴极暗区。3.光谱法诊断等离子体各唯象结构光谱法，即用光谱仪测量双探针相对于等离子体各位置的光谱图。具体操作方法是：利用光谱法测量此等离子体的光强分布，从阳极至阴极间隔5mm（共18点）取点测量光谱图。取点方法为制作带相应间隔小孔的黑色纸张（或布）罩在等离子体对应位置，利用连接光谱仪的光纤末端对准并贴紧小孔，缓慢转动小孔，当光谱显示为最大时记录光谱图，再分别取光谱图中光强最大的751.49nm处光强作图。（此时误差最小）光谱法诊断等离子体各唯象结构结果如

6、下：其中1对应于阳极暗区，2对应阳极辉光区，3--4对应于正电柱，4-5之间存在法拉第暗区，5对应于负极辉光区，6对应于阴极暗区，7对应于阴极辉光区。结果与探针法测量等离子体参数一致。只是对于探针法，探针不能过分靠近阴极，故多一组对应于阴极辉光区的结果。4.总结。