Langmuir探针实验Word文件下载.doc
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ji。
因此,金属丝刚插入等离子体内的极短时间内,金属丝表面会出现净的负电荷。
该负电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子。
过程平衡时,金属丝的电位为vf。
设等离子体空间电位为vsp,则在vsp-vf作用下,je=ji。
vf即为悬浮地插入的金属丝的悬浮电位。
显然,vf<
vsp,亦即在金属丝与等离子体之间形成了一个电位差为vsp-vf的鞘层。
向金属丝飞来的正离子不受鞘层电场的影响;
而电子在穿越鞘层时,受到拒斥场的作用,只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面。
根据玻尔兹曼分布函
数,可知能穿过这个势垒的电子浓度为:
其中ne0为等离子体区域内的电子浓度。
平衡时,je=ji,即:
因neo=ni(设等离子体离子为单电荷离子),粒子平均热运动速度为=[8kT/(πm)]1/2,故(6)式可改写为:
以氩等离子体为例,设kTe=2ev,kTi,mi/me=1840x40,则vsp-vf=15v左右。
正离子穿越鞘层获得动能(Ei):
二.Langmuir单探针的工作原理
如果我们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2所示)便构成了Langmuir单探针。
调节电位器可使探针(即金属丝)的电位由-45V变到+45V。
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Langmuir单探针的I-V特性曲线的成因。
为了表述方便起见,我们采用圆盘型的平面探针,并画出了平面探针的鞘层表面(如图4所示)。
图2Langmuir单探针电路
由第一节所述的余弦定律可知:
单位时间内落在单位鞘层表面积内的电子数与离子数可分别用
(1)、
(2)两式表示。
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(大小与方向)。
图3单探针的I-V特性曲线图4
下面将单探针I-V特性曲线分为A、B、C三个区域进行分析:
A区:
饱和离子电流区。
在该区,探针电位(Vp)远远小于等离子体空间电位(Vsp),即Vp<
<
Vsp。
此时,全部电子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面,只有正离子能被探针收集,这些正离子也就是到达鞘层表面的那些正离子,其数值由
(2)式确定。
显然,该数值由等离子体的性质(ni与)决定,而与鞘层电场大小无关。
由(4)式决定的离子电流密度也就是探针所能收集到的最大离子电流密度,称为饱和离子电流密度,将其乘以探针暴露在等离子体里的总面积,即为探针饱和离子电流。
C区:
饱和电子电流区。
与A区的情形类似,在该区,VpVsp,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,其数值由
(1)式决定。
同样,该数值由等离子体的性质(neo,)决定,而与鞘层电场的大小无关。
由(3)式决定的电子电流密度(ne取neo的值)也就是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。
图5电子能量分布函数
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Maxwell分布。
为了方便起见,我们暂时假定电子能量分布为Maxwell分布(如图5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Maxwell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,Langmuir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。
三.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,其原因后面讨论),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
故上式取对数,可得
这就是说,如果将实验测得的I-V特性曲线取半对数,得LnIp=f(Vp),则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
其中Ap为探针的表面积,以CM2为单位;
Ie0以mA为单位;
kTe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CM-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)来自于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。
所以,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与电子能量分布函数。
四、实验方法
1、了解单探针的结构及注意事项
图6Langmuir单探针的一般结构
实验室自制单探针如图6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),不然,探针的测量会产生严重的误差。
2、逐点测量单探针的I-V特性曲线
图7直线的最小二乘拟合
按照图2连接好电路。
启动等离子体并待其稳定后,调节电位器P,使探针电位由-45V变到+45V,每隔1V(在过渡区可每隔)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,即得单探针的I-V特性曲线。
再将过渡区的数据画在半对数坐标纸上,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。
我们可以采用最小二乘法将它们拟合成一条直线(图7),然后读出该直线上任意两点的坐标值(ln(Ip)与Vp),按式(10)算得电子温度kTe。
并按第三节所述步骤求得等离子体的其他参数。
3、用示波器观察并用计算机采集单探针的I-V特性曲线
图8示波器显示、计算机采集单探针的I-V特性曲线
用逐点测量法是一项比较费时的工作;
要保障在测量I-V特性过程中等离子体状态完全不变也不是很容易的事,因此势必带来较大的误差。
如果采用快速扫描的方法来测量I-V特性,则不仅可以大大提高工作效率,而且可以显著降低误差。
图8所示为用示波器观察并用计算机采集单探针I-V特性曲线的电路原理图,实验室已将它做成仪器。
请按仪器说明书连接好探针、示波器及与计算机传输数据的电缆。
在启动等离子体之前,先检查I-V特性数据采集与观察系统(包括探针、探针电路、示波器与计算机)是否正常。
此时可从探针接线头处断开探针连接电缆,用一个2K的电阻作为负载跨接在该电缆的芯线与屏蔽层之间。
将工作模式切换为“内”(此时内置脉冲发生器所输出的脉冲作为锯齿波的触发信号),可从示波器上观察到连续不断的锯齿波,因以一固定电阻(2K)作负载,故电流波形也是连续不断的锯齿波(如图9)。
将工作模式切换为“外”(此时以计算机程控脉冲作为锯齿波的触发信号),启动计算机探针数据采集程序,可在计算机屏幕上显示一条过坐标原点的斜直线(两个锯齿波的X-Y图形)(如图10)。
数据采集系统正常图9图10
之后,将2K电阻取下,将探针电缆与探针连接好。
启动等离子体,将工作模式切换为“内”,从示波器上观察加于探针上的电压波形与探针电流波形。
这时电压波形仍是连续不断的锯齿波,而电流波形则是重复出现的单探针的I-V特性曲线(如图11)。
然后,将工作模式切换为“外”(此时以计算机程控脉冲作为锯齿波的触发信号),启动计算机探针数据采集程序,即可将对应一个锯齿波的单探针I-V特性曲线采集到计算机内。
接着可借助计算机程序在计算机屏幕上显示单探针的I-V特性曲线,借助该程序的数据处理模块可求得等离子体的各个参数。
图11Vp与Ip的波形
改变等离子体的放电参数(例如气压、放电电流等),对应该放电参数(例如气压)的每一个值,测量其等离子体参数。
然后将不同放电参数下所测得的等离子体参数作图,即可考察等离子体参数随放电参数变化的规律。
从而为优化放电参数提供实验依据。
这在等离子体基础理论研究与应用研究中都是很重要的。
五、几个问题
1、使用Langmuir探针的条件:
l不存在强磁场;
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