第24卷第1期核聚变与等离子体物理Vol.24,No.12004年3月NuclearFusionandPlasmaPhysicsMarch2004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UVs(1)发射电子电流的形式为:IEe=IEe0VVs(2)收集离子电流形式为:ICi=ICi0fiVVs(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(ηe),fω=f(ηω),fi=f(-ηi),ηj=e(V-Vs)/kTj,(j=i,e,ω,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(η)=2(η/π)1/2+exp(η)erfc(η1/2)(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=AT2ωe...
