等離子體中熱陰極鞘層結(jié)構(gòu)及發(fā)射探針發(fā)射強(qiáng)度對診斷結(jié)果的影響.pdf

1、本文系統(tǒng)地研究了一維情況下等離子體中熱陰極附近具有發(fā)射電子的鞘層結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)，探討了發(fā)射探針空間電荷效應(yīng)(熱發(fā)射鞘層)對診斷等離子體電位的影響。 熱陰極發(fā)射鞘層指的是在等離子體中熱發(fā)射電極或壁附近形成的鞘層。不同于普通離子鞘，此類鞘層受到熱發(fā)射電子的影響，鞘層結(jié)構(gòu)及其屬性都會發(fā)生很大的變化。由于熱陰極表面存在大量發(fā)射電子，不能有效地被輸運(yùn)走，因此表面附近形成電位低于實(shí)際陰極的虛陰極結(jié)構(gòu)。此時(shí)的鞘層由熱發(fā)射電子、等離子體

2、電子和離子三種成分共同決定。研究此類鞘層的結(jié)構(gòu)對了解發(fā)射探針診斷等離子體電位的原理具有實(shí)際指導(dǎo)意義。 我們首先從理論上建立等離子體中一維熱發(fā)射鞘層的完整模型，系統(tǒng)地分析了熱發(fā)射鞘層的結(jié)構(gòu)。研究表明：熱發(fā)射鞘層結(jié)構(gòu)不同于一般的離子鞘，通常呈現(xiàn)電雙鞘的形態(tài)，即：具有分離的發(fā)射電子鞘和離子鞘?？拷鼰岚l(fā)射表面附近，由于熱發(fā)射電子很多，呈現(xiàn)電子鞘形態(tài)，而遠(yuǎn)離熱發(fā)射表面時(shí)，熱發(fā)射電子迅速衰減，等離子體成分開始起主導(dǎo)作用，鞘層又趨于普通的離子

3、鞘。所以整個(gè)鞘層內(nèi)存在一個(gè)虛陰極結(jié)構(gòu)。虛陰極的大小和深度隨著熱發(fā)射強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大和變深，隨等離子體相對于陰極的電位的增大而減小和變淺。 其次利用Sagdeev勢的方法研究了此類鞘層的屬性即：Bohm判據(jù)。研究表明：不同于一般離子鞘，熱發(fā)射鞘層Bohm判據(jù)表達(dá)式變得比較復(fù)雜。鞘邊界臨界馬赫數(shù)Mc不再是一個(gè)獨(dú)立的常數(shù)，而是同時(shí)與等離子體相對陰極的電位差以及陰極熱發(fā)射強(qiáng)度等參量有關(guān)，隨著等離子體相對陰極的電位的增大先增加到一個(gè)極大值

4、后又逐漸減小，同時(shí)也隨著陰極熱發(fā)射強(qiáng)度的增大而單調(diào)增大。此外我們還討論了兩種特殊情況下的熱發(fā)射鞘層結(jié)構(gòu)，即虛陰極恰好消失時(shí)的鞘層結(jié)構(gòu)以及等離子體與陰極等電位時(shí)的鞘層結(jié)構(gòu)。 最后從理論上給出一維平板模型下熱發(fā)射鞘層的Ⅰ-Ⅴ特性曲線。分析了此曲線的特點(diǎn)并為理解發(fā)射探針的Ⅰ-Ⅴ曲線提供理論依據(jù)。 實(shí)驗(yàn)方面，參與了利用發(fā)射探針診斷雙等離子體裝置中平板和柵網(wǎng)附近鞘層結(jié)構(gòu)的工作，討論了發(fā)射探針在診斷等離子體電位時(shí)空間電荷(熱發(fā)射鞘層

5、)效應(yīng)對診斷結(jié)果的影響。研究表明：當(dāng)診斷主等離子體區(qū)或鞘層外電位時(shí)，發(fā)射探針空間電荷(熱發(fā)射鞘層)效應(yīng)會使得診斷所得的等離子體電位小于實(shí)際等離子體電位。偏差值與發(fā)射探針的發(fā)射強(qiáng)度有關(guān)。發(fā)射越強(qiáng)，偏差越大。通過降低探針的發(fā)射強(qiáng)度外推診斷電位可以減少空間電荷效應(yīng)，從而獲得較為準(zhǔn)確的等離子體電位。通過分析一維熱發(fā)射鞘層理論的Ⅰ-Ⅴ曲線，得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致的結(jié)論。另一方面，在診斷等離子體鞘層內(nèi)的電位時(shí)，我們的結(jié)果與Wisconsin大學(xué)研究