用发射探针降落法测量等离子体空间电位

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1、第24卷第1期核聚变与等离子体物理Vol.24,No.12004年3月NuclearFusionandPlasmaPhysicsMarch2004文章编号:0254-6086(2004)01-0067-06用发射探针降落法测量等离子体空间电位1222孙秋普,邓新绿,马腾才,宋远红(1.齐齐哈尔大学物理系,齐齐哈尔161006;2.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连116024)摘要:介绍了一种用发射探针测量等离子体空间电位的方法———“降落法”,并利用这种方法测量了双共振腔ECR微波等离子体源的空间电

2、位分布,从中得到该等离子体内部的一些电场信息。给出了不同微波功率和不同压强下Ar等离子体空间电位的分布情况。关键词:悬浮电位;等离子体空间电位+中图分类号:TL655文献标识码:A1引言电子首先打到探针表面,在探针表面形成一个电子目前,对低温等离子体特性的测量,绝大部分放鞘层。探针的浮点电位呈现负值(相对等离子体电在测量等离子体的密度和电子温度上,而对等离子位而言)并且较低(Vf1),当探针被加热,探针上有电体空间电位(又称等离子体势)的测量还未引起重子发射出来,悬浮电位随之升高(Vf2),再增加探针视。事实上

3、,由于等离子体中具有大量的带电粒子,温度,悬浮电位迅速增大(Vf3),直到探针加热到足电学性质极其重要,等离子体空间电位可以为等离够温度,发射电子已达饱和时,探针的悬浮电位才趋子体密度、电子温度的计算提供依据。很多人用模于一个饱和值(Vf4),如图1a所示。拟的方法来计算等离子体中的电场分布,而实验上2.2探针悬浮电位和等离子体空间电位的关系往往难以进行验证,等离子体势和电场分布有密切[1]图1b是不同温度下的单探针特性曲线。曲关系,因此等离子体势的测量可以说相当重要。本线1、2、3和4分别对应于冷的、稍热的、

4、更热一些的文介绍了一种用发射探针测量等离子体空间电位的和饱和发射的探针特性曲线,它们的悬浮电位分别方法,并利用这种方法测量了双共振腔ECR微波等为Vf1、Vf2、Vf3和Vf4(与图1a一一对应;Vfil———灯丝离子体源的空间电位分布,从中得到该等离子体内电压)。冷探针时饱和离子电流相当小,Vf1也相当部的一些电场信息。小。热探针因为有电子发射,相当于增加了收集的离子,所以饱和离子电流也相应增大(曲线2、3),曲线2测量等离子体空间电位的降落法与横坐标的交点(悬浮电位点)也相应向右推移2.1探针的悬浮电位与灯

5、丝温度的关系(Vf2,Vf3);饱和发射的特性曲线其中部几乎与横轴实验证明,探针浮点电位不是固定不变的,而是垂直,交点Vf4也与等离子体空间电位Vs趋于一致。随着探针温度的变化而改变。冷探针的浮点电位比当探针偏压U高于Vs时,曲线1、2、3和4重叠在一较低,原因是当探针悬浮在等离子体中,探针上接收起,这是因为当U>Vs时探针附近鞘层压降为正到的电荷都是电子和离子以随机速度做随机运动而值,发射电子受空间电荷势垒限制,而当U

6、期:2003-10-20作者简介:孙秋普(1962-),女,黑龙江省人,硕士,讲师,1995年毕业于大连理工大学等离子体物理专业,现从事基础物理及等离子体物理的教学与研究。68核聚变与等离子体物理第24卷图1探针的悬浮电位1/21/2子的流出则不受此限制。不同温度探针特性曲线的f(η)=2(η/π)+exp(η)erfc(η)(4)[2][4]分叉点即代表等离子体空间电位,而饱和发射探式中,erfc为复合误差函数。根据里查德松发射[1]E针的浮点电位趋于等离子体空间电位。定律,饱和发射的电子电流Ie0是灯丝温度

7、的函2.3理论分析数:E2为了简化发射探针特性的描述,只考虑弱发射Ie0=ATωexp(-η0)(5)的情况,这样空间电荷效应的影响可以忽略。一个其中,η0=eW/kTω;W为灯丝材料的逸出功;A为发射探针在等离子体中的电流包括三部分,即收集一个表征灯丝材料性质的常数。当探针上流过的净电子电流、发射电子电流和收集离子电流。以圆柱电流为零时,该点的电位为悬浮电位,即:形探针为例,收集电子电流的形式为:ECC0=Ie-Ie+Ii(6)CIe0exp(ηe)V

8、e=C(1)Ie0feV>Vs是Tω的函数,将式(1)、(2)、(3)和(5)代入式(6),发射电子电流的形式为:得出Vf-Vs与Tω关系,在Tω超过某一值时,Vf-EIe0VVs当温度或悬浮电位变化,给系统带来一定微扰收集离子电流形式为:时,有:CIi0fiV