用发射探针降落法测量等离子体空间电位.pdf

第 24卷第1 期核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理Vol.24,No.12 0 0 4 年3 月Nuclear Fusion and Plasma PhysicsMarch2004文章编号:0254-6086(2004)01-0067-06用发射探针降落法测量等离子体空间电位孙秋普1,邓新绿2,马腾才2,宋远红2(1.齐齐哈尔大学物理系,齐齐哈尔 161006;2.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连116024)摘要:介绍了一种用发射探针测量等离子体空间电位的方法 “降落法”,并利用这种方法测量了双共振腔 ECR 微波等离子体源的空间电位分布,从中得到该等离子体内部的一些电场信息。给出了不同微波功率和不同压强下Ar 等离子体空间电位的分布情况。关键词:悬浮电位;等离子体空间电位中图分类号:TL65+5 文献标识码:A1引言目前,对低温等离子体特性的测量,绝大部分放在测量等离子体的密度和电子温度上,而对等离子体空间电位(又称等离子体势)的测量还未引起重视。事实上,由于等离子体中具有大量的带电粒子,电学性质极其重要,等离子体空间电位可以为等离子体密度、电子温度的计算提供依据。很多人用模拟的方法来计算等离子体中的电场分布,而实验上往往难以进行验证,等离子体势和电场分布有密切关系,因此等离子体势的测量可以说相当重要。本文介绍了一种用发射探针测量等离子体空间电位的方法,并利用这种方法测量了双共振腔 ECR微波等离子体源的空间电位分布,从中得到该等离子体内部的一些电场信息。2测量等离子体空间电位的降落法2.1 探针的悬浮电位与灯丝温度的关系实验证明,探针浮点电位不是固定不变的,而是随着探针温度的变化而改变。冷探针的浮点电位比较低,原因是当探针悬浮在等离子体中,探针上接收到的电荷都是电子和离子以随机速度做随机运动而打上去的。因电子随机运动速度远高于离子,所以电子首先打到探针表面,在探针表面形成一个电子鞘层。探针的浮点电位呈现负值(相对等离子体电位而言)并且较低(Vf1),当探针被加热,探针上有电子发射出来,悬浮电位随之升高(Vf2),再增加探针温度,悬浮电位迅速增大(Vf3),直到探针加热到足够温度,发射电子已达饱和时,探针的悬浮电位才趋于一个饱和值(Vf4),如图 1a 所示。2.2探针悬浮电位和等离子体空间电位的关系图 1b 是不同温度下的单探针特性曲线 1。曲线 1、2、3 和 4分别对应于冷的、稍热的、更热一些的和饱和发射的探针特性曲线,它们的悬浮电位分别为 Vf1、Vf2、Vf3和 Vf4(与图1a 一一对应;Vfil 灯丝电压)。冷探针时饱和离子电流相当小,Vf1也相当小。热探针因为有电子发射,相当于增加了收集的离子,所以饱和离子电流也相应增大(曲线 2、3),曲线与横坐标的交点(悬浮电位点)也相应向右推移(Vf2,Vf3);饱和发射的特性曲线其中部几乎与横轴垂直,交点 Vf4也与等离子体空间电位 Vs趋于一致。当探针偏压 U 高于Vs时,曲线 1、2、3和 4 重叠在一起,这是因为当 U Vs时探针附近鞘层压降为正值,发射电子受空间电荷势垒限制,而当 U Vs,电收稿日期:2003-07-28;修订日期:2003-10-20作者简介:孙秋普(1962-),女,黑龙江省人,硕士,讲师,1995 年毕业于大连理工大学等离子体物理专业,现从事基础物理及等离子体物理的教学与研究。68核聚变与等离子体物理第 24 卷图 1探针的悬浮电位子的流出则不受此限制。不同温度探针特性曲线的分叉点即代表等离子体空间电位 2,而饱和发射探针的浮点电位趋于等离子体空间电位。2.3 理论分析为了简化发射探针特性的描述,只考虑弱发射的情况,这样空间电荷效应的影响可以忽略。一个发射探针在等离子体中的电流包括三部分,即收集电子电流、发射电子电流和收集离子电流。以圆柱形探针为例,收集电子电流的形式为:ICe=ICe0exp(e)V Vs(1)发射电子电流的形式为:IEe=IEe0 V Vs(2)收集离子电流形式为:ICi=ICi0fi V Vs(3)式中,ICe0和 IEe0分别为饱和收集电子电流及饱和发射电子电 流;ICi0为饱 和收集 的离 子电流。fe=f(e),f=f(),fi=f(-i),j=e(V-Vs)/kTj,(j=i,e,分别指离子,电子和灯丝),函数 f 起因于轨道角动量并依赖于热金属丝半径和鞘层半径 3。其形式为:f()=2(/)1/2+exp()erfc(1/2)(4)式中,erfc 为复合误差函数 4。根据里查德松发射定律 1,饱和发射的电子电流 IEe0是灯丝温度的函数:IEe0=AT2exp(-0)(5)其中,0=eW/kT;W 为灯丝材料的逸出功;A 为一个表征灯丝材料性质的常数。当探针上流过的净电流为零时,该点的电位为悬浮电位,即:0=IEe-ICe+ICi(6)因为 IEe是灯丝温度 T的函数,所以悬浮电位必须是 T的函数,将式(1)、(2)、(3)和(5)代入式(6),得出 Vf-Vs与 T关系,在 T超过某一值时,Vf-Vs趋于零 1。当温度或悬浮电位变化,给系统带来一定微扰时,有:0=dIEe-dICe+dICi(7)将式(1)、(2)、(3)微分并代入式(7)中及利用式(6),可得:edVfkT eLe+(1-L)+M(iLi+eLe)=dTT 1+(1-L)(8)其中,第 1期孙秋普等:用发射探针降落法测量等离子体空间电位691=2+0(9)L()=1VfVs(10)L()是一个表征探针电压在超过和低于等离子体势时产生微扰电流的函数,e=T/Te,i=T/i,=ICi0/IEe0,函数 M=M(,i),形式为:M=2(-i/)1/2+exp(-i)erfc(-i)1/2 VfVs(11)整理式(8),得出悬浮电位相对灯丝温度的变化率:edVfkdT=1+(1-L)eLe+(1-L)+M(iLi+eLe)(12)考察式(12),在变量不同区间分别有 1:当 Vf Vs时,edVfkdT1/e1+2(-i/)1/2Vf Vs时,edVfkdT11+i2()1/2exp(-i)VfVs 图 2 为 Vf对 T变化率edVfkdT与 关系曲线。由图2 可见,当 Vf=Vs(=0)时,dVfdT有个突变。图 2 Vf对 T变化率edVfkdT与 关系探针悬浮电位是灯丝温度的函数,悬浮电位对灯丝温度的变化率的降落大小强烈地依赖于探针浮点电位是否低于(0)等离子体空间电位。根据上面分析,用发射探针测量等离子体空间电位,可以利用改变探针灯丝温度,测量探针悬浮电位,当探针悬浮电位变化率dVfdT有个由大到小的突变时(形象地说dVfdT有个降落),所对应的悬浮电位即为等离子体电位。这种方法因此被称为电位变化率降落法。3实验现象测量悬浮电位的电路如图 3a 所示,灯丝温度由自耦变压器输出电压来调节,发射探针回路用隔离变压器与电源隔离,使发射探针系统相对地面悬浮。Vout为观察输出端,取样电阻 R 较大(1 10M),这样 Vout可以基本保证不通电时是灯丝的悬浮电位。回路串接二极管,导通的半周期用来加热灯丝,未导通的半周期(与外界无电联系)用来测70核聚变与等离子体物理第 24 卷定探针的浮点电位值。用示波器观察输出电压Vout。灯丝刚开始加热时,曲线没有什么起伏,如图3b所示,浮点电位较低;增大灯丝电压 Vfil,曲线上电压降落明显起来,并整体上移,如图3c 所示。此时浮点电位处于敏感区,Vfil稍微变化,就会使浮点电位有较大的变化(参看图 1a 中的 Vf2,Vf3),继续增大Vfil,悬浮电位交错于等离子体电位,如图 3d、3e 所示,并随 Vfil增加,电压变化的大小很快由大变小,(对应图 1a中的 Vf3 Vf4区域)。这个情况是由于在加热灯丝的半周期及未通电的半周期中,Vf有变化,当 Vfil不够大时,这个变化在 Vf3(如图 1a 所示)上下波动,波动幅度较大,如图3d,Vfil再大时,浮点电位在 Vs附近波动,在 VfVs时,变化率很小,在曲线上呈现出一个小平台,如图 3e,这个平台预示着浮点电位已与等离子体空间电位相交上了。进一步增加 Vfil,曲线变为图 3f,此时在未加热的半周期中已全部呈现为平台,说明 Vf已达到 Vs,对应 T的微扰变化,Vf基本不变,如图 3f 所示。在每个周期中,平台出现的初始时刻对应的 Vf即判断为等离子体空间电位值。4实验结果利用发射探针降落法测量双共振腔 ECR 微波等离子体源(真空室正视图如图4 所示)等离子体空间电位分布,得到以下结果。图 5a 为等离子体空间电位轴向分布曲线。坐标原点选在磁场线圈中心联线的中点,r 的方向为磁场线圈中心联线方向向外。所测的点位于距 ECR腔13cm 的工作平面上。由图 5a 可以看出,等离子体空间电位各处并不完全一致,说明等离子体内部不是均匀的稳定状态。等离子体中还存在一个向中心去的电场,等离子体空间电位在 8 12V 之间,r=20cm 处(正对 ECR腔下方)最大。实验中工作参数分别为:微波功率 500W,压强 8 10-2Pa,磁场电流55A,两磁场线圈电流流向相同,工作气体为氩气。图5b 是等离子体空间电位随微波功率 P变化的曲线。工作条件为压强 8 10-2Pa;观察点位置在工作面上 r=22cm 处,工作气体为氩气。磁场线圈电流方向相同,I=55A。由图看出,不同微波功率下其产生的等离子体空间电位也不相同,在 P=图 3测量悬浮电位的电路和悬浮电位测量结果图 4真空室正视图600W 左右,空间电位最高。第 1期孙秋普等:用发射探针降落法测量等离子体空间电位71图 5Ar 等离子体空间电位图5c 是Ar 等离子体空间电位随压强变化的曲线。微波功率 500W,r=22cm,其它条件与图 5b的相同。由图观测到,空间电位随压强升高呈上升趋势,在(6 8)10-2Pa 左右有较高值。在低气压情况(210-2Pa)下,观察到多个电位值,表明等离子体在气压较低时更不容易稳定建立起来。较好的工作气压为(6 8)10-2Pa。5问题与讨论a.降落法测量等离子体空间电位,必须要求发射探针灯丝足够细。在没有电流的半周期中,灯丝由热变冷,其热量散失通过两种途径,一是沿灯丝轴向的传导,另一是辐射。当灯丝的面积体积比足够大时(足够细的灯丝),辐射传热占主导地位。因为传导传热往往使灯丝上各处温度分布不均匀,影响发射的均匀性。实验中灯丝用=0.12mm 的钨丝,可以达到要求。b.实验中测量的双共振腔 ECR微波等离子体源,其工作面上等离子体密度在 109 1010cm-3,放电情况与双磁场线圈电流方向相同和相反有关,文中测量时两磁场线圈电流取向相同。c.本文所讨论的情况都是在不考虑空间电荷效应情况下得出的,而当强发射时,空间电荷影响不能忽略,所测量的值是带有一定误差的。d.测量回路外界电信号干扰也常常使悬浮电位的读数受到影响,尤其在冷探针和未饱和发射时,悬浮电位受燥声影响而无法计数,只有当 Vf Vs时,干扰才明显消失。e.降落法只适用于电子温度较灯丝温度大得多的情况,即 e i,低温等离子体是满足这个条件的,实际上,该源的电子温度在 104K,而灯丝温度最高也只能达到 103K。参考文献:1 Makowski M A,Emmert G A.Rev.Sci.Instrum.,1983,54(7):830.2 Chen F F.Plasma diagnostic techniques M.New York:Academic.1965.3 郑少白等译.等离子体诊断第一卷 M.电子工业出版社.4 Abramowitz M,Stegun I.Handbook of mathematical func-tions M.WashingtonD C:US Department of Commerce,National Bureau of Standards,1972.72核聚变与等离子体物理第 24 卷The“droop”method to measure spaceplasma potential with emissive probesSUN Qiu-pu1,DENG Xin-lu2,MA Teng-cai2,SONG Yuan-hong2(1.Department of Physics,Qiqihaer University,Qiqihaer 161006;2.State Key Laboratory ofMaterial Modification by Laser,Electron and Ion Beams,Dalian University of Technology,Dalian 116024)Abstract:A method for measuring the plasma potential with emissive probes,the“droop”method,is presented inthis paper.The plasma space potential for the microwave plasma source of double“ECR”chamber has been measured inthis method.The radial distribution of the plasma space potential and itsvariationwith pressure and the microwave powerhas been derived.Key words:Floating potential;Plasma space potential