低温氩等离子体中的单探针和发射光谱诊断技术

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1、第(%卷第F期"$$:年F月物理学报Y5=*(%，X5*F，JZ-/=，"$$:’$$$)#"I$T"$$:T(（%$F）T"##$)$:JUHJ9OV3WUJ3WXWUJ""$$:U4/D*948B*352*!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!低温氩等离子体中的单探针和发射光谱诊断技术!牛田野曹金祥刘磊刘金英王艳王亮吕铀王舸朱颖（中国科学技术大学近代物理系，中国科学院基础等离子体物理重点实验室，合肥"#$$"%）（"$$%年&月’日收到；"$$%年’"月’(日收到

2、修改稿）使用静电探针和发射光谱分析方法，测量了实验室圆柱形辉光等离子体轴向!)"曲线和发射光谱*通过电子能量概率函数方法、+,-./)0/-12模型、低气压放电的32456678扩散理论，分别计算了等离子体的电子温度、电子激发温度和电子密度*研究了利用等离子体发射光谱计算电子激发温度、低气压放电理论估算电子密度的方法与静电探针诊断方法的内在联系，讨论了不同方法的使用特点*所研究的方法在某些特殊环境的等离子体参数诊断中具有较好的参考和应用价值*关键词：静电探针，发射光谱，电子能量概率函数，+,-./)0/-12模型!"##：(""(9，(":$，&""$;

3、的方法估算出电子密度*本文借助实验室的高压直’E引言流稳态装置产生的低密度直流辉光等离子体，使用上述两种诊断手段，得到了沿放电腔体轴向的!)"等离子体的电子温度#,和电子密度$,是等曲线、发射光谱以及电子温度#,、电子密度$,和电离子体的特征参量*有很多方法可以获得这两个参子激发温度#，给出了这些参量的空间位置分布，,?2量，使用最广泛的是静电探针方法*该方法几乎和等研究了两种不同诊断技术的相互关系和使用方法*［’，"］离子体物理一样古老，使用起来方便简单，但是实际上对不同等离子体的探针曲线的解读却是非常"E实验安排复杂的*通过对伏安特性曲线获得电子能量

4、概率函［#］数（<<9+）的分析，可以获得电子温度和电子密度图’是实验装置示意图*实验在一个直径为"$等信息*一般情况下，假设所有等离子体的平均自由2.的圆柱型真空室内进行，真空室分为三段，两端程远大于探针尺度*当气压不超过"$91时，使用该为不锈钢材料，中间是透明玻璃腔体*当真空室本底方法可以分析实验数据，随着气压的升高，该方法得达到’$K"91并稳定后，调节流量计注入工作气体氩到的数据会逐渐变得不准确，因为这时需要考虑鞘气*高压直流电源接到真空室两端的圆形电极板上，内离子碰撞*已经有人提出对高气压下的探针数据产生辉光等离子体*放电电极板半径为FE$2

5、.，两电［F］进行修正*极间距为#&2.，工作气压为"$91*发射光谱分析是一种非接触的被动测量方探针位于圆柱形辉光放电区的中轴线上，可以［(］法，对等离子体不会产生扰动*但传统的光谱分析沿着轴线前后移动*探针信号采集电路是自制的使方法都是在等离子体满足局部热平衡（GH<）近似的用L3M"E$接口的集成数据采集系统，通道采样率［%—&］条件下完成，本文尝试使用传统的谱线相对强为’NOP*数据处理程序采用的是自编的N16=1Q度测量方法来确定不满足GH<近似的低温等离子软件*［I］体的电子激发温度#,?2*通过对J-!线的相对强光谱测量使用的是天津港东科技

6、发展有限公司度测量，使用+,-./)0/-12模型计算电子激发温生产的RS0)&型光栅光谱仪*焦距为($$..，分辨［’$，’’］度*根据计算出的电子激发温度，通过低气压放率为$E$(D.，扫描范围为"$$—&$$D.，使用光电倍电的32456678扩散理论，使用不同于传统探针测量增管（9NH）探测光信号*9NH的输出被放大后通过!<).1/=：>?215@AB62*,CA*2DB期牛田野等：低温氩等离子体中的单探针和发射光谱诊断技术*$$!图!实验装置示意图模数转换卡送到计算机"通过光纤把光信号传送到离子体中的探针表面积，"和!是探针的偏置电压和光谱仪

7、的入射狭缝处"实验中使用钨带灯对包括光收集到的电流，%4为电子质量，!为电子能量，$为纤在内的整个光路和探测器系统进行了标定，利用**电子电荷"从（!）式可以看出，..,0与=!>="成正标定结果修正测量的谱线强度，以此来进行相关比"由..,0可以获得电子温度，进而获得电子密计算"度"并且上述方法与#（!）的具体分布形式无关，即?实验中移动探针和光纤探头，在轴向选取距阴使#（!）偏离1-23455分布也可以使用"?极为#，!$和!%&’的三个位置分别测量!("曲线和对原始数据滤波采用C-8=D<［!$，!B］方法，使用一等离子体发射光谱的谱线相对强度"个

8、E-7::型的仪器函数与采集到的实验数据卷积，还原出真实信号，具体表达式如下：$