碰撞等離子體中靜電探針的不適用性

1、碰撞等離子體中整體電中性對單探針測量的影響陳志鵬，羅辰，李弘，王慧慧，李斌，耿松，馮雷，劉秋艷，劉萬東中國科學(xué)院基礎(chǔ)等離子體物理重點實驗室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，安徽 合肥 230026,探針診斷中的等離子體整體電中性,單探針診斷以真空室壁為參考點，探針電路、探針、等離子體和真空室壁組成電流回路，測量得到V和Ip組成的探針曲線。由于等離子體需要保持整體電中性的狀態(tài)，流過探針和真空室壁的電流應(yīng)該相等，其值為Ip。,不同碰撞條件

2、下等離子體中的整體電中性影響,非碰撞等離子體裝置中，真空室壁的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探針面積，真空室壁電流的變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探針電流的變化范圍。雖然存在整體電中性影響，但在探針電流變化的過程中真空室壁與等離子體的電位差變化很小，整體電中性對單探針測量的影響作用可忽略不計,在碰撞等離子體裝置中，離子與中性粒子的頻繁碰撞，使得離子和電子的雙極擴散受阻，等離子體被局域在等離子體源區(qū)周圍，真空室壁周圍的等離子體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非碰撞環(huán)境。此時真空室壁電流的變

3、化范圍與探針電流的變化范圍相當(dāng)、甚至更小。由于整體電中性影響，在探針電流變化的過程中真空室壁與等離子體的電位差變化不可忽略，整體電中性對單探針測量的影響成為探針診斷的關(guān)鍵因素。,實驗裝置,長1.2米，直徑1.5米的圓柱形不銹鋼真空室 氣壓可調(diào)的Ar氣環(huán)境下電感耦合放電產(chǎn)生等離子體 探針和干擾極在線圈中垂面上，距離可移動，干擾極尾部與真空室壁相連。 探針測量電壓V：-25－25V,掃描周期：10ms 通過周期平均去除噪聲,和氣壓

4、20Pa的探針曲線相比，400Pa的探針曲線的電子飽和流過小，值小于離子飽和流。,400Pa下探針距離線圈不同位置處（r=30、60、90mm）的探針曲線，其離子飽和流隨距離的增大變小，而電子飽和流不隨距離改變。,400Pa時真空室壁電流變化范圍小于探針電流變化范圍，真空室壁離子飽和流小于探針電子飽和流，由于整體電中性的影響，探針電子流只能達到真空室壁離子飽和流的大小。移動干擾極，增大真空室壁離子飽和流，探針電子流會相應(yīng)上升。實驗中的

5、整體電中性對探針測量影響作用較強，已經(jīng)限制探針電子流的收集。一般裝置中，整體電中性的影響并不明顯，不易察覺，造成實驗誤差，甚至錯誤。,400Pa時，探針位置不動，逐漸將干擾極伸入等離子體（90、50、30mm），探針曲線中離子飽和流不變，而電子飽和流增大。,整體電中性如何影響探針測量？,隨著探針掃描電壓V升高，等離子體懸浮電位Vf在探針的電子流收集端急劇變化。以真空室壁為電位參考點，等離子體通過改變自身等離子體電位來滿足整體電中性的要

6、求。,實驗結(jié)果和分析,,結(jié)論,400Pa時，在等離子體中伸入一探針測量探針電壓V掃描過程中的等離子體懸浮電位Vf，懸浮電位與當(dāng)?shù)氐入x子體電位相差常數(shù)，能夠描述等離子體電位的變化。,實驗中的整體電中性對探針測量的影響,在碰撞等離子體中，真空室壁周圍的等離子體密度低，真空室壁電流的變化范圍與探針電流的變化范圍相當(dāng)或更低，此時等離子體整體電中性對探針測量的影響不可忽略，甚至成為主要因素。在探針測量過程中，等離子體調(diào)節(jié)自身等離子體電位來滿足整體

7、電中性的要求。,在單探針測量過程中，等離子體一直保持整體電中性。在非碰撞條件下，等離子體彌散至整個真空室空間，易與真空室壁交換電荷，整體電中性不會影響探針曲線的測量；在碰撞條件下，等離子體由于碰撞僅局域在等離子體源區(qū)周圍，不易與真空室壁交換電荷，整體電中性成為影響探針曲線測量的主要因素。實驗中觀測整體電中性對探針曲線的影響，并測量到：在探針測量過程中，以真空室壁為電位參考點，等離子體將通過改變自身等離子體電位來滿足整體電中性的要求。,C