1、1探针式植物茎流测量仪 探针法在直流辉光放电等离子体测量中探针法在直流辉光放电等离子体测量中的应用严伟，刘文正，李成柳（北京交通大学电气工程学院，北京）摘要郎缪尔探针在测量低气压直流等离子体中被广泛应用。而在生成等离子体时，出于保护或其他目的，需在放电装置中设置接地点。通过实验，我们发现在放电装置的接地点设置以及探针形式不同时，得到的悬浮电位、空间电位和电子温度等参数的值有一定差异。本文讨论了使用不同形式探针在各接地情况下测得的等离子体的参数，分析了产生相关差异的原因。关键词 辉光放电；探针法；接地 1引言在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最2简便的一种方法。郎缪尔探针法由伸入等离
2、子体内的导体作为探针，向它施加电压，通过测定探针电流，得到电流-电压（I-V）特性曲线，从而求得等离子体的参数。探针法对待测等离子体有一定干扰，使用探针时要注意既要减少对等离子体的影响又要使探针电流足够大以至于可以测量。在探针法测量过程中，对数据的处理方法比较复杂，很多文献对其做出了说明1。在实验室对直流辉光放电等离子体测量时，发现主放电装置的电极和容器壁接地的情况对实际测量会产生影响。在某些接地情况时，不能得到理想的探针电流及 I-V 曲线，会影响测量结果。本文通过实验，对产生这些问题的原因进行了分析。2探针法简介根据探针结构的不同，除单探针外，还有双探针、三探针、发射探针几种结构1，他们已
3、被证明在很多情况下是非常有效的。而探头的种类也有很多，如柱状、球状、板状、环形等。本文使用了探头形状是柱状和球状的单探针法，以及板状的双探针，分别对不同放电装置接地状况的低压直流等离子体进行了测量。2.1 单探针的测量方法柱状探针和球状探针都属于单探针的范畴。除了探头形状的区别外，他们在数据处理以及测量电路的结构上基本3相同。一个理想的郎缪尔单探针 I-V 曲线如（图 2.1）所示，可明显看出分为三个区域，即 A 离子饱和区、B 过渡区、C电子饱和区。图 2.1 单探针的 I-V 特性曲线由图可直接测得离子饱和电流 Ie0、电子饱和电流 Ii0、悬浮电位 Vf、空间电位 Vsp 的大小，再通过
4、式（1）确定电子温度 Te（单位为 V）2 ，式（2）确定电子密度 ne3。Te=VpVsplnelne0（1）ne=41013（2）其中 S 是探针表面积， Vp 和 Ie 分别是过渡区（ B 区）某点对应的探针电压和电子电流值（近似的取探针电流值） 。实验中使用的单探针测量电路如（图 2.2） 。探针置于两放电极板中间处，如图所示。图 2.2单探针测量电路2.2 双探针的测量方法一个理想双探针 I-V 曲线如（图 2.3）所示。4图 2.3 双单探针的 I-V 特性曲线1由图可直接测得电子饱和电流 Ii0，悬浮电位 Vf 可通过直接测量与外部电路断开的探针得到4，再通过式（3）确定电子温度
5、 Te（单位为 V）2 。TIe=（3）2dV=0双探针通常用在没有合适的接地电极的等离子体中，其优点在于，其净电流值绝不会超过离子饱和电流，所以能最大程度的降低对放电的干扰2。而其缺点在于不能反应出等离子体的空间电位。实验中使用的双探针测量电路如（图 2.4） 。其中，两探头均使用板状探头，以互相平行的方式置于两放电极板中间处。图 2.4双探针测量电路3使用单探针测量不同放电装置接地的情况3.1 柱状探针实验中使用的柱状探针裸露部分长度为 1cm，直径为0.1cm 的导线，探针表面经计算得 0.314cm2。实验中的等离子体是由间距 5cm、电压 390V 两电极板在520Pa 气压下辉光放
6、电生成的。本文以下所有待测等离子体的条件相同。当阳极接地时，实测 I-V 曲线如（图 3.1） 。 （横坐标单位为 V，,纵坐标单位为 mA，下同）图 3.1 阳极接地时的柱状探针曲线由曲线可知此时的等离子体悬浮电位Vf=55V，空间电位 Vsp=7V，电子温度 Te=12.1V。实验中使用的探针偏压直流电源为 DH1718D-3 型直流稳压电源，可提供-60V+60V 的直流电压。由于等离子体的悬浮电位过低，导致不能完整的做出曲线的离子电流饱和区，影响离子饱和电流的测量。当产生直流辉光放电时，平板电极间的空间电位分布情况如（图 3.2）4。等离子体的空间电位比阳极电位低一个阳极鞘层电压降。阳
7、极接地就使得等空间电位变得很负，而由（图 2.1）悬浮电位低于空间电位，所以将会更低。由于探针曲线的过渡区基本处于悬浮电位和空间电位之间，这就使得实验中使用的探针偏压电源很难将探针电位偏置到理想的过渡区，得到的曲线不能很好的描述离子电流饱和区的状态，增大实验误差。9 9VS96图 3.2电源两极板间的电位分布当阴极接地时，实测 I-V 曲线如（图3.3） 。图 3.3 阴极接地时的柱状探针曲线曲线全部位于负半平面，大部分处于离子饱和电流区以下的区域，在这个区域中，由于探针与正极板的电位差过大，形成了非静电的传导电流。在 40V 左右，探针电压过渡到离子电流饱和区。通过分析（图 3.2） ，等离
8、子体空间电位比电源的阴极高出一个阴极鞘层电压降。而当阴极接地时，阴极电位为 0，等离子体的悬浮电位和空间电位将变得很高。通过直接测量悬空的导体电位的方式4测得这种情况时的悬浮电位为 350V 左右，由（图 2.1）可知空间电位将更高，因此，探针偏压不能达到能确定探针曲线的区域，从而不能得到曲线。当容器壁接地时，实测 I-V 曲线如（图 3.4）。图 3.4 容器壁接地时的柱状探针曲线由曲线可知此时的等离子体悬浮电位Vf=5V，空间电位 Vsp=23V，电子温度Te=2.7V，离子饱和电流7Ii0=0.0078mA，电子饱和电流 Ie0=0.03mA。对于容器壁接地的辉光放电产生的等离子体，其悬
9、浮电位一般在 0V 附近，而在大多数放电中，粒子数平衡条件将电子温度限制在 25V 的范围内2。容器壁接地时用单探针测量的相应参数符合这样的估计范围。因此，当使用单探针时，将容器壁接地会得到比其他接地方式更加准确的结果。当容器壁与某电极同时接地时，此时整个容器与该电极电位相等，由于本实验的反应容器与电极距离较近，所以部分电极参与了放电，生成的等离子体弥散在整个容器壁之中，放电形式与上述几种情况截然不同，故未对这种情况进行测量。当容器壁与电极均不接地时，探针中没有电流流过，无法得到数据。因此，在单探针的测量中，整个放电系统需要一个合适的接地点。3.2 球状探针实验中使用的球状探针裸露部分为一个半
10、径约 0.5cm 的金属球，探针表面经计算得 3.14cm2。使用球状单探针测量的各种接地情况的探针曲线如（图 3.5）所示。（a）阳极接地时的球状探针曲线（b）阴极接地时的球状探针曲线（c）容器壁接地时的球状探针曲线8图 3.5球状单探针测量各种接地情况的探针曲线可以看出，在阳极或阴极接地时，球状探针的 I-V 曲线的形状与柱状探针时相似，只是电流幅值大于柱状探针。这是由于在本实验中，球状探针裸露部分的表面积远大于柱状探针，能收集更多的电子电流和离子电流，所以球状探针电流更容易观测。在容器壁接地的实验中，我们得到的探针曲线中离子饱和电流值较大，其原因还有待进一步研究。总之，球状探针只是单探针
11、中对于探头形状的改变，无法克服单探针在测量电极接地时的缺点。4 使用双探针测量不同放电装置接地的情况在使用双探针时，两个探头的距离不宜距离过近，防止鞘层的相互干扰；流过探针的电流很小，不超过离子饱和电流的值，由于这些原因，实验中采用了表面积较大的板状探头，每个探头的表面积为 2cm2。通过双探针对阳极接地、阴极接地、容器壁接地以及无接地点的情况进行测量后，我们得到了一组形状、幅值都很接近的曲线（图 4.1） 。曲线之间的微小误差可能是由于各组数据采集时，气压和放电极板电压的微弱变化引起的，可取各组实验结果做平均处9理。（a）阳极接地时的双探针曲线（b）阴极接地时的双探针曲线（c）容器壁接地时的
12、双探针曲线（d）无接地点时的双探针曲线图 4.1 不同接地情况的双探针曲线由曲线可知此时的等离子体的离子饱和电流Ii0=0.024mA，电子温度 Te=3.6V。所得结果符合对电子温度的估计，也接近于容器壁接地时的柱状探针测量的结果。考虑到柱状探针对等离子体的干扰大于双探针，而柱状探针测量的参数包含了其对等离子体的影响的成分，因此，双探针的测量结果是比较真实的，且不受到放电装置接地点的影响。但其缺点在于不能直接由 I-V 曲线得出等离子体悬浮电位和空间电位，需要使用其他方法得出。5 小结通过不同结构探针的得到的数据，讨论了不同接地方式会给每种结构的探针带来的影响，并对产生的原因进行讨论，说明应
13、根据不同接地方式选用相适应的探针形式。双探针除了对等离子体的影响小以外，还具有测量结果受放电装置接地情况影响小的优点，即不像单探针那样因10放电装置的接地情况的改变增加实验中操作的难度。参考文献1FrancisF.Chen,LectureNotesonLangmuirProbeDiagnostics,ElectricalEngineeringDepartmentUniversityofCalifornia,LosAngeles,20032MichaelA.Lieberman,AllanJ.Lichtenberg,PrinciplesofPlasmaDischargesandMaterialsProcessing,20073陶孟仙,等离子体特性的静电探针测量技术，佛山科学技术学院学报(自然科学版)Vo118No3，20004菅井秀郎，等离子体电子工程学，科学出版社，2002
