利用静电双探针对辉光放电等离子体诊断分析

葛 萌 张莉莉 蔡惠华 孙德冲 贾丰锴

(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

利用静电双探针对辉光放电等离子体诊断分析

葛 萌 张莉莉 蔡惠华 孙德冲 贾丰锴

(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

阐述了利用Langmuir双探针诊断等离子体参数的基本原理，对圆柱腔中的空气辉光放电等离子体进行了双探针诊断，通过实验测得伏安特性曲线，计算得出等离子体密度和电子温度。分析了密度参数变化与放电电流大小之间的关系。最后将诊断结果与准光腔系统进行比较，二者虽略有差别，但差别不大，且变化趋势一致。验证了采用本双探针系统诊断辉光放电等离子体密度的可靠性。

Langmuir双探针 辉光放电 等离子体 电子密度 伏安特性 曲线 诊断

1 引 言

在高速飞行器再入目标以高超音速进入大气层后，与周围空气剧烈摩擦会使飞行器与周围温度急剧上升，而形成等离子体鞘套。鞘套的存在，对电磁波的传播形成严重的衰减和反射，造成通信质量下降甚至中断，从而对飞行时的测控带来严重影响。根据NASA报告[1]中所提及的弹体再入的试验数据，在不同飞行高度和速度情况下，天线窗口处的电子密度约为(109～1011)cm-3，这恰与辉光放电等离子体的电子密度接近[2]，因此可以用辉光放电产生足够密度的等离子体，进行等离子体参数诊断实验研究。这种方法的优点是能够产生长时间持续的等离子体，使诊断实验研究的难度大为降低，可以在短时间内获得大量重复性的实验数据。

关于等离子体参数的诊断，目前国内外无论是在理论研究还是在工程实践上都提出了许多诊断方法，常用的有Langmuir探针法、阻抗测量法、微波法、光谱法和质谱法等[3～6]。其中Langmuir探针因其结构简单，易于操作，可通过调节探针在等离子体内的位置，测量等离子体各局部的参数，而得到了广泛的应用[3]。

双探针法是在单探针法的基础上发展来的，自诞生以来一直得到比较普遍的应用。其优点有：1)在等离子体区域中某一小体积内进行诊断，可以认为这一小体积内的等离子体处于局部热平衡状态；2)探针上的电流始终小于饱和电子电流，因此对等离子区的影响较小；3)相对单探针而言，双探针的电位不以放电电极为参考点，从而避免了由于探针上的电流过大而损坏探针[7,8]。

本文利用Langmuir双探针诊断系统，对由辉光放电产生的稳态等离子体进行了参数诊断，得到较为完整的伏安特性曲线及等离子体密度、电子温度参数。并将双探针诊断结果与准光腔微波诊断结果进行对比，二者相差不大。

2 静电双探针的工作原理[9]

双静电探针系统主要由接收信号的表面积近似相等的两根静电探针组成。工作电压加在两探针之间，双探针的伏安特性曲线如图1所示。设I为双探针回路的电流，U1和U2分别表示两探针对等离子体区的电位，令探针间的电位U=U1-U2，A表示两探针的面积，jr为随机电子流密度，Ie1,Ie2,Ip1,Ip2分别表示流入两探针的电子电流和正离子电流。理论上饱和离子流处I-U曲线的斜率为0，在实际I-U特性曲线的测量中，饱和离子流Ii1,Ii2的确定采用图1所示作切线的方法。

根据玻尔兹曼关系式

(1)

(2)

可得

(3)

对式(3)取对数后，再对U进行微商，可得

(4)

利用基尔霍夫定律和理论上饱和离子流斜率为0的条件

Ie1=I+Ip1,Ie2=Ip2-I

(5)

(6)

式中，Ii1和Ii2对应两探针的饱和离子流，代入式(4)可得到两探针的电流I和电压U满足下式

(7)

在I=0时

(8)

根据式(8)，由I-U曲线的斜率得到电子温度kTe。

考虑到饱和离子流正比于离子密度，即

(9)

由此得离子密度

(10)

式中:A=2π·rp·lp；rp、lp——分别为探针半径及长度；A——探针表面积；Mi——离子质量；Ip——饱和离子电流。对于低温等离子体，离子密度和电子密度相等，所以式(9)即可确定电子密度。

3 实验装置

辉光放电等离子体产生装置主要包括等离子体产生腔、电源装置和抽真空装置。如图2所示，为本文实验选用的辉光放电装置的主要组成部分—等离子体产生腔。

等离子体发生器的主体是圆柱金属密封腔，内置直径约为30cm的环形电极，交流等离子体电源加在两环柱形电极之间。实验时由真空泵将内部气压抽至(30～35)Pa，工作电压为380V，电源频率为50Hz，相对于等离子体放电频率来说，可近似看成是直流放电，放电电流在(0～10)A范围内可调节。强电场使放电电极间隙内的空气电离从而产生等离子体，再通过电极之间的间隙扩散至腔体内部，填充整个腔体空间。产生的等离子体电子密度在(109～1010)cm-3的数量级，并能稳定存在足够长的时间。

使用双探针诊断系统对等离子体源中的等离子体参数进行诊断。双探针诊断系统主要由三大部分组成：探针、数据采集和处理系统、计算机。实验中在放电腔顶部中心位置处安装一固定Langmuir探针的法兰，用于探针径向空间的测量，探针后连接探针测试系统及计算机。探针端部爆露出的钨丝长为4mm，半径0.2mm，其余部套封装在陶瓷细管内和等离子体隔开。

4 实验结果与讨论

4.1 双探针的伏安特性曲线

图3为气体压强30Pa，放电电流为6A时，探针位置处在腔体中心处的双探针伏安特性曲线的实验曲线和对饱和区电流修正过后的曲线对照图。探针电压为横坐标，探针电流为纵坐标。由图3可以看出，实验曲线与修正过后的曲线有所偏差，具体表现为：

(1)电流饱和段通常并非如经典理论预期的那样平直，而是随探针偏压的增加而上升。这是因为当电压过高，鞘层厚度增加，使探针收集电流的有效面积增大，导致之后的电流随电压增加。同时，由于两探针在等离子体所的区域电位不是完全相等，当U=0时，仍有微弱电流经过两探针，使探针的伏安特性曲线不是完全经过原点。实验数据取U=0前后两点，计算其拟合直线的斜率为2.31×10-5。

(2)实验得到的I-V曲线不是完全呈现出正负两方向对称形式，主要是因为两探针所处等离子体电位的不完全相同。通过对正负饱和区电流做线性拟合，如图4所示。

取拟合直线和Y轴的交点为离子饱和电流，Ii1和Ii2分别为92μA和88μA，二者虽然有偏差，但相差不大，所以取正负饱和电流的平均数90μA作为其饱和电流。利用读取上述伏安特性曲线所得饱和电流和零点斜率，通过式(8)计算得到等离子体电子温度为2.15eV。再利用式(10)计算得到等离子体密度为1.9×1010cm-3。

4.2 放电电流对电子密度的影响

当气压为33Pa时，分别对不同放电电流的放电状态下等离子体进行了诊断，图5为不同放电电流下探针伏安特性曲线对照图。随着放电电流增大，等离子体中粒子之间的碰撞更加频繁，电子与离子和原子碰撞概率增加，从而会有更多电子从原子中被激发出来，电子数目增加，即电子密度增大，使等离子体的电导率增加，探针的饱和正离子电流也随之增大。

从上图中还可以看出，2A,4A,6A,8A情况下，在|U|≤1V时，出现了曲线重合，此时探针电压极小，不能有效的在探针周围形成异号电荷鞘层，使探针不能有效的拦截电子和离子，导致电导急剧下降，I-V曲线斜率突然变小，当探针不能有效的拦截电子和离子时，等离子体中的电子温度已经不能影响到探针的电导，所以会出现不同电流条件下在|U|≤1V时的曲线重合的情况。

图6是不同电流下等离子体密度随放电电流的变化曲线，由图中可以看出等离子体密度在(109～1010)cm-3，随着电流的增大而单调增大。

4.3 相同放电电流下，不同气压对电子密度的影响

图7是在放电电流为6A的放电状态下，等离子体密度随放电气压的变化规律。从图中可以看出，在(20～60)Pa的较低气压时，电子密度随气压的增加而缓慢增加。这是因为随着气压增加放电气体的密度增加，电子与其他粒子碰撞的概率增加，更多的电子从原子中被激发出来，进而电子密度增加。

4.4 探针法与准光腔谐振法电子密度诊断结果

表1给出了相同气压、不同放电电流情况下双探针法与准光谐振腔法的诊断结果比较，可以看出两种诊断方法具体数值上略有差别，这是因为准光腔谐振系统是通过测量腔体加载等离子体的等效复介电常数计算等离子体密度，诊断得到的是腔体内部等离子体密度的平均值[10]；Langmuir双探针放置在准光腔的中心位置，诊断范围是鞘层附近区域，因此得到的密度数值与准光腔相比略微偏高。但二者的结果变化趋势一致，电子密度数量级也相同，从而验证了采用双探针系统诊断辉光放电等离子体密度的可靠性。

表1 不同放电电流下双探针与准光腔谐振法电子密度诊断结果比较

5 结束语

本文采用Langmuir双探针诊断系统，对圆柱腔内的空气辉光放电等离子体进行了诊断，得到了等离子体的伏安特性曲线，通过对伏安特性曲线的计算得到了等离子体密度及电子温度参数值。并分析了不同放电电流和不同气压，等离子体密度随放电电流和气压的变化规律。随着放电电流和气压增加，等离子体密度增大，符合辉光放电理论依据，验证了采用双探针诊断系统进行等离子体参数诊断的可靠性。探针诊断结果与准光谐振腔诊断结果进行比较，发现二者结果虽有差别，但差别不大，且变化趋势相同，进一步验证了采用双探针进行辉光放电等离子体参数诊断的可靠性与准确性。

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Diagnosis of Glow Discharge Plasma by Langmuir Double Probe

GE Meng ZHANG Li-li CAI Hui-hua SUN De-chong JIA Feng-kai

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 100076, China)

The principle of plasma diagnosis by Langmuir double-probe is described, and the parameters of glow discharge plasma are measured. Electron temperature and electron density are calculated according to the double-probe I-V characteristic curve, and the variations of electron density are analyzed as a function of discharge current. The diagnosed results are compared with results obtained from quasi-optical cavity, and they show good agreement with each other. They have negligible difference and are in agreement of same variation. The reliability and correctness of using Langmuir double-probe to diagnose glow discharge plasma are verified.

Langmuir double-probe Glow discharge Plasma Electron density Volt-ampere characteristic Curve Diagnosis

2016-06-21，

2016-12-01

葛萌(1988-)，女，博士，主要研究方向：无线电物理技术。

1000-7202(2017) 02-0068-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.14

TB973

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