基于数据采集系统的等离子体犔犪狀犵犿狌犻狉探针诊断实验

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1、第２０卷第８期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．８２００８年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２００８文章编号：１００１４３２２（２００８）０８１３０１０５基于数据采集系统的等离子体犔犪狀犵犿狌犻狉探针诊断实验李阿红，鄢扬，王彬，高昕艳，谢文楷（电子科技大学物理电子学院，成都６１００５４）摘要：采用Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针、扫描电源和微机数据采集系统相结合，实时获得了等离子体的伏安特性曲线及参数计算结果。本数据采集系统是一个虚拟仪器系统，包括数据采集、分析测试和结果显示三部分，用来采集Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针的电流电压信号，并

2、加以分析处理。整个测试过程非常快，可以在ｍｓ级的时间内完成，相对于手动测试，基于数据采集系统的Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针诊断实验得到的数据更为精确，电压测试范围更大，并能去除因为等离子体电位漂移而产生的曲线失真。根据所得的伏安曲线，讨论了等离子体的电子温度，离子密度等参数的计算方法。进一步研究发现电子温度随真空室气压增大而变小，离子密度随气压增大而变大。关键词：Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针；等离子体；电子温度；离子密度；数据采集系统中图分类号：Ｏ５３６文献标志码：ＡＬａｎｇｍｕｉｒ探针又称静电探针，常常用来诊断等离子体。Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针诊断通常采用的是逐点测试法：给探针施加偏

3、置电压，逐点改变该偏压，记录探针电位和相应的探针电流，然后手动绘出伏安特性曲线，计算特性参量。虽然这种测试方法简单易行，但是由于探针的电流为ｍＡ量级，手动测试的读数会有较大的误差；并且逐点法测试的时间较长，在这段时间内，气压波动和等离子体电位漂移都会导致曲线失真。本实验给探针施加锯齿波扫描电压（－１００～１００Ｖ），频率可以达到１０００Ｈｚ，这样在０．００１ｓ时间内探针的偏置电压就可以从－［１］１００Ｖ变化到１００Ｖ。数据采集系统是一个虚拟仪器，由数据采集卡和微机组成，代替了传统的示波器、电流表、电压表等测量工具，将模拟信号转换成数字信号，输入微机中，Ｌａｂｖｉｅｗ

4、软件能够实时绘出伏安特性曲线、存储数据、分析数据及显示结果。整个测试过程可以在非常短的时间内完成，读数精确度高，采样点数多，这样就能在较大程度上降低误差。气压变化会改变等离子体的特性参数，本实验讨论了电子温度和离子密度随气压的变化，得出电子温度随气压增大而变小，离子密度随气压增大而变大的关系。１犔犪狀犵犿狌犻狉探针工作原理Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针是利用探针附近的静电场与等离子体的相互作用而引起电荷重新分布所形成的探针电流变化作为诊断依据的。由于等离子体内电子质量远小于离子质量，因而电子速度远大于离子速度，这将导致悬挂在等离子体中的金属丝的表面在极短的时间内积累相当数量的

5、负电荷，从而使探针相对于其附近未被扰动的等离子体的电位为负值，此负电位排斥电子而吸引离子，从而在探针表面附近形成一正的空间电荷层（离子鞘）。该空间电荷层逐渐增厚，直到单位空间内进入探针表面的电子数与离子数相等为止。此时正Ｆｉｇ．１ＶｏｌｔａｇｅｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｏｆＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅ离子电流数值上等于电子电流（但符号相反），得到零净电图１Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针的伏安特性理论曲线流，且表面的负电位将不再改变，探针电位成为悬浮电位。当外加电源使探针相对于空间电位的电位差不等于悬浮电位时探针上就会产生电流。假设在调节探针电位的过程

6、中，等离子体的状态保持稳定，对应探针电位由负到正的每一个值，记录每一个流过探针的电流值，取［２］探针电压为横坐标，探针电流为纵坐标，可得探针的伏安特性曲线，如图１所示。收稿日期：２００８０４１８；修订日期：２００８０７３０基金项目：国家自然科学基金项目（６０４０１００６，６０６７１０３１）作者简介：李阿红（１９８３—），女，硕士研究生，主要研究方向为封接型等离子体行波管动态系统；ｍｏｓｑｕｉｔｏ９８＠１６３．ｃｏｍ。１３０２强激光与粒子束第２０卷图１中，犞ｐ为探针电压，犐ｐ为探针电流，犐ｅ０为饱和电子电流，犐ｉ０为饱和离子电流，犞ｓｐ为等离子体空间电位，犞

7、ｆ为悬浮电位。当犞ｐ≤犞ｆ时，探针电流为离子饱和电流，为离子饱和区；当犞≥犞ｓｐ时，探针电流达到电子饱和电流，为电子饱和区；而当犞时，探针电流呈指数形式增长，为过渡区。ｆ＜犞ｐ＜犞ｓｐ２实验系统本实验系统原理如图２所示，包括产生等离子体的真空室、真空泵、高压稳压电源、Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针（直径为１ｍｍ）、Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针扫描电源、数据采集卡和微机。抽真空待气压稳定在４０～８０Ｐａ范围内，打开高压稳压电源，调节到３５０Ｖ左右，辉光放电产生等离子体。开启Ｌａｎｇｍｕｉｒ探针扫描电源，给探针两端加连续的锯齿波电压，随着探针电位自动扫描，数据采集卡实时将电流电压信号