探针应用物理专业实验：专业实验3 直流辉光放电正柱区的双探针诊断

实验3 直流辉光等离子体的静电双探针诊断

低气压直流辉光放电是一种稳定的自持放电是实验室人工产生等离子体的主要方法。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是电子温度和电子密度同时也是离子密度为了测量这两个参数使用langmu ir单探针的伏安曲线的过度段可以比较准确的给出等离子体的电子温度。但是如若想要得到电子密度则需要准确测量等离子体空间电位。虽然等离子体电位在探针伏安曲线上表现为拐点但是通常情况下 由于探针几何形状的影响确定这个拐点是非常困难的。

使用单探针诊断等离子体电子密度时存在两个技术困难一是判断等离子体的空间电位困难因为等离子体电位处的电子饱和电流提供了电子密度的信息。二是探针的参考电极与等离子体的接触面积通常很大因此会对等离子体本身产生明显影响。为了准确测定电子温度同时又不对等离子体产生影响发展了双探针方法。双探针实际上是两条单探针并用形成的一条探针作为参考电极一条探针作为诊断探针也称为Languir双探针。【实验目的】

1学习双探针方法的工作原理了解双探针特性曲线的基本特征和物理机理利用双探针曲线研究正柱区的等离子体电子温度随放电条件的变化规律分析等离子体电子温度和放电电流的关系。

2学习双探针诊断辉光放电正柱区的等离子体参数的实验方法和数据分析方法掌握双探针曲线的测量方法

3认识单探针和双探针的特性曲线的差别 了解各自的诊断功能及优缺点。【实验内容与要求】

1 学习双探针实验的工作原理。

2 使用双探针诊断辉光放电正柱区的等离子体电子温度

【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双探针系统

【实验原理】

双探针Double Probe是等离子体诊断的基本手段之一。为了了解双探针的工作原理首先考察两根悬浮于等离子体中的金属丝附近会出现什么现象。

1 插入等离子体内的两根悬浮金属丝

探针金属丝Metal tip 悬浮地插入正柱区等离子体中 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导致在悬浮金属丝上都会积累相当数量的负电荷以致产生明显的悬浮负电位。在两根悬浮探针上都形成鞘层因而两只探针都相对于

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等离子体处于负偏置状态。探针及等离子体的相对电位分布如图1所示。鞘层的负电位阻止

针的末端连接上简单的电路如图2所示便构成了 双探针。调节电位器可使两个探针即金属丝的相对电位由-60V变到+60V。假设在调节探针电位的过程中等离子体的状态保持稳定。对应探针电位差的每一个电位值,记录下电流表所指示的相应的流过探针的电流值。据此即可得探针I-V特性曲线(如图3所示)。

现在我们来分析一下双探针的I-V特性曲线的成因。 由余弦定律可知单位时间内落在单位探针鞘层表面积上的电子数与离子数可由气体分子运动理论得到。至于落到鞘层表面的粒子能否落到探针表面则取决于粒子的种类正离子还是电子与鞘层电场的性质大

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的一部分同时由于在这个电压区间内探针电位都与悬浮电位差别不大因此探针级收集电子流也收集离子流。在该区电子电流具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服从M axw ell分布。当Vp变得比Vsp低时只有部分电子能够克服拒斥场的作用而到达探针表面。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 el l分布函数的积分。显然此积分函数具有指数函数的性质。当两个探针电位相同时探针回路便没有电流流过这时两个探针都处于悬浮电位上。这就是双探针曲线经过原点的原因。

3 由双探针I-V特性曲线获取等离子体参数的步骤

1双探针曲线的数学表达形式。

探针上收集到的电流包括两部分离子饱和电流和电子电流。如下形式

)

)

考虑到两个探针的几何对称性离子饱和电流和电子饱和电流都是相等的

探针回路中的电流是连续的 即 II1I2

考虑到悬浮电位的定义

)

II)

其中 V=V1–V2,即探针上的电位差。考虑电流的真正方向上述电流表达式应该反向

既然在过度区探针电流I与探针电压之间是确定的函数关系 即

那么对V求导数得到

)

)

就是说如果将实验测得的I-V特性曲线取导数则在原点处曲线的斜率即与等离子体的电子温度kTe有关。如果在能获得离子饱和电流强度那么就可以计算得到电子温度。

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3求电子密度与离子密度。

根据得到的双探针电流函数式可以知道 当探针电压远大于电子温度时双曲正切函数趋近于1 也就是探针电流就是离子饱和电流。这样从理论上可以得到离子饱和电流然而实际上探针曲线在偏置电压很大时也不是绝对达到饱和而是呈现缓慢上升趋势。这是因为在负偏置条件下探针周围的电场分布会发生变化。

其实在离子饱和电流区探针曲线可以用一条关于电压的直线进行拟合。拟合得到的直线反映了探针周围电场分布变化对探针电流的影响。为了消除这一影响需要从探针电流测量值中减去相应的电场影响部分。经过这样的处理之后探针曲线就是双曲正切函数的形式了。从中可以得到原点处的斜率和离子饱和电流。这个过程如图四所示

的单位为cm-3。

综上所述 由双单探针的I-V特性曲线可求得电子温度kTe 、电子密度ne0 、离子密度ni。

本实验中要求计算等离子体电子温度和离子密度。

【实验提示】

1 双探针的结构

单个双探针的结构与单探针是相同的。一般采用高熔点的金属如钨、钽、铂等作为探针材料。探针的屏蔽体如玻璃管、陶瓷管等需要经过焊接经真空密封后引出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丝环并将其推入屏

图5 单根探针的一般结构

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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。如果等离子体不是沉积性的那么对于探针的屏蔽要求就不用那么严格了就像我们今天的实验环境可以不用考虑探针的屏蔽要求。两根探针安装到等离子体内部时尽量靠近为了是双探针的整体体积尽量小以减小对等离子体的干扰。当然两根探针也不可以太近 以防止两探针的鞘层互相重叠。

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。

2 放电产生等离子体

将已经安装好的探针接入探针回路注意选择两根探针中某一根作为电路的测量电

极。按照实验一的操作步骤启动放电放电电流在5mA放电气压为30Pa.

3 逐点测量单探针I-V特性曲线

启动等离子体并待其稳定后调节探针电源电压调节旋钮使探针电位由-60V变到+60V每隔1V在过渡区可每隔0.2V大约范围是-2—+2V记录下对应的Vp与Ip的表头指示值。将所测得的实验数据画在坐标纸上得到双探针的I-V特性曲线。

在此图上 由于实验误差的存在数据点并不会严格经过坐标原点这是因为电源的零点电位并不一定是严格的零点因此需要对探针曲线做平易处理使之经过坐标原点。处理之后就可以按照按实验原理中描述的计算方法和步骤计算电子温度kTe。并按实验原理第三节所述步骤求等离子体离子密度。

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10 mA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测量探针曲线计算等离子体电子温度和离子密度。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。

【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 由此基础上理解双探针电路中电位的特点和形成原因。

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在弄懂双探针工作原理的基础上用自己的语言不要照抄讲义阐明双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并利用探针数据得到的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。将结果写入实验报告。

4对比利用双探针和单探针得到的电子温度和密度的结果。

5针对放电电流的大小与单探针的实验结果分析类似根据测得的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。

作者 张家良

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