探针实验.doc

PAGE 1 PAGE 8 LANGMUIR 探针实验 大连理工大学 物理系 三束材料改性国家重点实验室 邓 新 绿 编 2001年10月 2003年9月修订 Langmuir探针实验 朗缪尔探针（ Langmuir Probe） 是等离子体诊断的基本手段之一。为了搞清朗缪尔探针的工作原理，首先让我们来考察一下一根悬浮地插入等离子体中的金属丝会出现什么现象。 插入等离子体内的悬浮金属丝： 如图1所示，真空室内以某种方式建立起了等离子体，金属丝（Metal tip） 悬浮地插入其中。我们知道，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。定量分析如下： 图1 根据分子运动论 图1 其中ne 为电子密度，ni 为离子密度，为电子平均热运动速度, 为离子平均热运动速度。 (1)、(2)两式两边均乘以电子电荷e ，可得流向金属丝的电子电流密度je与离子电流密度 ji 的表达式： 我们知道，故jeji 。 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， vfvsp ，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=0.043ev，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2 Langmuir 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）、（ 图2 Langmuir 单探针电路 图3 单探针的I-V特性曲线 图4 下面将单探针 图3 单探针的I-V特性曲线 图4 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VpVsp。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