探针应用物理专业实验：专业实验2 直流辉光放电正柱区的单探针诊断

实验2直流辉光放电的静电单探针诊断

低气压直流辉光放电是一种稳定的自持放电分为正常辉光和反常辉光两类是实验室人工产生等离子体的主要方法。等离子体是一种包含等量的足够高密度正负带电粒子的中性电离气体是宇宙中物质存在的第四种状态。气体放电产生的等离子体是一种导电气体具有等离子体的一切物理特性是研究等离子体性质的常选对象。

低气压直流辉光放电在空间上可以分为多个区域其中正柱区是放电区间中的那段明亮均匀的辉光区正柱区的存在也正是此类放电获名的原因。正柱区中电子和离子的数目是相等的因此整体是中性的同时正柱区内没有明显的电场存在因此电子的能量分布服从玻尔兹曼分布 电子的能量可以用电子温度表示正柱区是辉光放电产生的等离子体区。

等离子体的两个最重要的特征参数就是电子温度和电子密度也是离子密度为了测量这两个参数 1926年langmuir提出了一种简单使用的探针称为langmuir探针。【实验目的】

1学习langmuir探针方法的工作原理利用langmu ir探针研究正柱区的等离子体特征参数随放电条件的变化规律从中认识等离子体的电中性和等电位等基本特征体会物理现象和物理测量过程之间的内在联系。

2学习langmu ir探针诊断辉光放电正柱区的等离子体参数的实验方法研究实验方法与探针原理之间的联系和区别 了解实验研究和理论研究方法的对立同一性

3体验科研数据的复杂性初步学会对科研数据的分析方法。

【实验内容与要求】

 1 学习langmu ir探针实验的工作原理。

2 使用朗缪尔探针诊断辉光放电正柱区的等离子体状态参数

【可供选择的仪器】

1.直流辉光放电发生装置

2.氩气的控制与调节系统

3.直流数字电压表和电流表

4. langmuir探针系统

【实验原理】

Langmu ir探针Langmu ir Probe 是等离子体诊断的基本手段。为了了解Langmuir探针的工作原理首先考察一下一根悬浮于等离子体中的金属丝附近会出现什么现象。

1 插入等离子体内的悬浮金属丝

真空室内以辉光放电方法建立起了正柱区等离子体金属丝Metal tip 悬浮地插入其中。由于等离子体内电子的质量远比离子的质量小而其运动速度远比离子高。这一基本事实将导致在悬浮地插在等离子体中的金属丝上会积累相当数量的负电荷以致产生明显的悬浮负电位。

2 Langmu ir探针的工作原理

如果在插入等离子体中的金属丝的末端连接上简单的电路如图1所示便构成了Langmu ir单探针。假设在调节探针电位的过程中等离子体的状态保持稳定。对应探针电位由负变到正的每一个电位值,记录下电流表所指示的相应的每一个流过探针的电流值。据

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此即可得探针I-V特性曲线(如图2所示)。

全部电子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面只

图1 Langmuir单探针电路

图2 单探针的I-V特性曲线 图3

图4 电子能量分布函数 C区饱和电子电流区。

与A区的情形类似在该区VpVsp此时全部正离子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面只有电子能被探针收集。这些电子也就是到达鞘层表面的那些电子。 同样其数值由等离子体的性质neo,Te分别为电子密度和电子温度决定而与鞘层电场的大小无关。探针所能收集到的最大电子电流密度称为饱和电子电流密度。将其乘以探针总面积即为探针饱和电子电流。

B区过渡区。该区的情形稍为复杂一点。在该区 Vp<Vsp 因此落在鞘层表面的正离子全部能到达探针表面构成探针电流Ip的一部分 由于它在数量上较电子电流小得很多为了方便起见往往忽略它对Ip的贡献只考虑电子电流。在该区 电子电流具

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有什么样的变化规律呢我们知道等离子体中电子能量分布函数EEDF接近Maxw el l 分布。为了方便起见假定电子能量分布为Maxw ell分布如图4所示。当Vp变得比Vsp 越来越负时能够克服拒斥场的作用而到达探针表面的电子数也就越来越少。实际上能够克服拒斥场的作用而到达探针的电子数是对Maxw ell分布函数的积分。显然此积分函数具有指数函数的性质。所以在过渡区探针电流Ip具有指数函数的形状。正因为如此Langmn ir单探针的I-V特性函数携带了电子能量分布函数的信息即电子温度的信息与等离子体性质的其他信息。

3 由单探针I-V特性曲线获取等离子体参数的步骤

 1 由观察I-V特性曲线可得等离子体空间电位Vsp与悬浮电位Vf 。

由前面的分析可知当Vp>=Vsp时探针电流到达电子饱和电流而当Vp<Vsp时探针电流按指数函数衰减。故在I-V曲线上会出现一拐点此拐点对应的横坐标即为等离子体空间电位Vsp 实验上拐点有时并不十分明显 I-V特性曲线与横坐标的交点即为悬浮电位Vf。此处流经探针的电子电流与离子电流大小相等而方向相反。

2求电子温度。

既然在过度区探针电流Ip与鞘层电场Vp-Vsp之间是指数函数关系 即

I

故上式取对数可得

就是说如果将实验测得的I-V特性曲线取对数则在过度区应呈线性关系该直线的斜率即为等离子体的电子温度kTe

3求电子密度与离子密度。

对应等离子体空间电位Vsp的纵坐标即为电子饱和电流Ieo它的表达式为

I

 n

其中Ap为探针的表面积 以c m2为单位 Ie0以mA为单位 k Te以eV为单位。 由等离子体的电中性可知 ni=neo 故可求得离子密度ni 。 neo与ni的单位是c m-3。

4求电子能量分布函数。

既然在过渡区探针电流电子电流是对电子能量分布函数的积分因此对实验测得的I-V特性曲线的过渡区部分求微分即可得到电子的能量分布函数。

综上所述 由Langmuir单探针的I-V特性曲线可求得以下等离子体参教等离子体空间电位Vsp、悬浮电位Vf、 电子温度kTe 、 电子密度ne0 、离子密度ni。

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本实验中只计算等离子体的悬浮电位 电子温度和离子密度。

【实验提示】

1 了解单探针的结构及注意事项

单探针结构如图5所示。一般采用高熔点的金属如钨、钽、铂等作为探针材料。进入探针的屏蔽体如玻璃管、陶瓷管等内后用电火花点焊法与镍丝连接经真空密封处理后引出屏蔽体作为与探针电路的连接头。在探针进入屏蔽体处给探针套上一适当的铜

图5 Langmuir单探针的一般结构

丝环并将其推入屏蔽体内以刚好不露出为宜。这样可保障探针恰好位于屏蔽体内孔的中心而不与孔边相接触。即使屏蔽体外表面被沉积上了导电膜探针也不会与导电膜接触。因此能确保探针的有效面积不变。对于等离子体溅射沉积等情况这是特别重要的。

关于探针的粗细原则上讲愈细愈好。因为探针愈细对等离子体的干扰就愈小。 目前已有采用直径为微米量级的探针。但是太细了制作起来很困难。通常采用直径为零点零几毫米至零点几毫米。长度为若干毫米。

要特别注意保持探针表面的清洁。表面的微小锈斑与污物要仔细加以请除可用细砂纸打磨后用丙酮与酒精擦干净并用电子轰击至白热再用氩离子轰击适当时间。

本实验中使用的探针选择钨丝作为探针材料探针的密封为玻璃烧结方式。探针屏蔽结构比较简单这是因为实验中的等离子体不是沉积等离子体污染很轻不需要特殊屏蔽既可以保证探针的洁净。

2 放电产生等离子体

将已经安装好的探针接入探针回路注意选择放电阳极为探针电路的参考电极。按

照实验一的操作步骤启动放电放电电流在1 mA放电气压为30Pa.

数据画在坐标纸上得到单探针的I-V特性曲线。再将过渡区的数据画在对数坐标纸上可得ln Ip~ Vp关系图。在此图上 由于实验误差的存在数据点并不会严格地落在一直线上可以采用最小二乘法将它们拟合成一条直线图6然后读出该直线上任意两点的坐标值lnIp与Vp按式3算得电子温度kTe。并按实验原理第三节所述步骤求等离子体的悬浮电位和离子密度。

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4.通过调节送气系统的流量控制器和放电电源的电压改变等离子体的放电参数气压为30Pa,放电电流为10mA和20mA在靠近阴极和阳极的探针上分别得到两条曲线共得到4条实验曲线测量其等离子体的探针曲线计算等离子体参数。然后将不同放电参数下所测得的等离子体参数作图考察等离子体参数随放电参数变化的规律。这在等离子体基础理论研究与应用研究中都是很重要的。

【预习及报告要求】

1.预习要求

1查阅参考文献 阅读实验讲义和参考文献中等离子体鞘层的相关章节 了解等离子体鞘层的形成机理 由此基础上理解探针附近的三类鞘层的不同特点。

2了解探针的制作方法和注意事项正确理解探针的操作和使用方法。

2实验论文内容要求

1在弄懂Langmu ir探针工作原理的基础上用自己的语言不要照抄讲义阐明探针的工作原理和操作步骤并写在实验报告中。

2简述探针I-V特性的形成原理描述探针I-V特性的测量方法 以及利用探针数据分析得到等离子体参数的步骤。

3对用逐点测量法测量到的I-V特性数据进行处理得到等离子体的电子温度离子密度和等离子体悬浮电位。将结果写入实验报告。

4通过查参考资料弄清曲线最小二乘拟合原理。推导出直线最小二乘拟合的表达式。5针对放电电流的大小测量等离子体离子密度与电子温度相应的值作图说明等离子体密度和电子温度随放电电流的变化规律尝试给出合理的物理解释。

【分析讨论题】

1放电正柱区内其实是有放电电流流过的等离子体既然是导电气体那么在电流存在情况下其中就存在稳恒电场正柱区就不是严格等势体那么如何理解等离子体空间电位?2本实验中选择阳极电位为参考电位为什么不能选择阴极电位为参考电位。【参考文献】

 1钱振型 固体电子学中的等离子体技术北京科学出版社 1989年

2甄汉生等离子体加工技术北京清华大学出版社 1993年

3Wang En-Yao et al,Rev. Sci. Instrum., 56(4),519, 1985.

作者 张家良

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