Langmuir双探针诊断Ne辉光放电管电子密度

俞 哲,张芝涛,赵建森

(大连海事大学物理系,辽宁大连116026)

1 引 言

等离子体作为物质存在的第四态不仅已经被人们所认知,而且在实际应用中等离子体技术也得到了广泛的应用[1-3].例如新材料的合成、聚合和改进,环境污染物的治理,灭菌消毒,静电除尘,高浓度臭氧的制备等众多方面.准确测量出等离子体的电子温度和电子密度有助于了解等离子体内部反应机理,在等离子体技术的应用中有着至关重要的作用.

随着等离子体技术的发展,各种等离子体诊断技术也随之发展起来[4].光谱法作为一种时空分辨性能良好的实时、在线、原位、无扰动的方法[5],得到了广泛的应用.其中,发射光谱法最为常用,这种方法通过研究波谱中含有的谱线成份、宽度和强度等来分析等离子体中的多种参量,是一种非接触的被动测量方法,对等离子体本身不会产生干扰.这种方法在利用Saha方程、Stark展宽法或 Thom som散射法进行测量电子密度时,需要等离子体满足居于热平衡的要求[6],并且这些方法存在着统计权重数值有误差、计算繁琐、测量范围较小的缺陷.为此我们结合发射光谱法[7],采用了光纤光谱协同放电电流法估算电子密度,这是一种可在相当宽范围内诊断放电等离子体电子密度的简便诊断方法.而如何判断这种电子密度诊断方法结果的可靠性和准确性便成为首要考虑的问题.

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[8-9].其优点有:1)在等离子体区域中某一小体积内进行测量,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;4)双探针结构简单,没有复杂的实验装置,易于操作,特别是探针法是一种主动测量方法,通过调节探针在等离子体内的位置,可以测量等离子各局部的参数,其结果也比较可靠,为大多数从事等离子体研究工作者所接受.

本文将选用比较成熟且行之有效的双探针法,对圆柱型石英管中氖气直流辉光放电等离子体进行诊断,并对结果进行了分析.

2 双探针诊断原理

探针上的电流服从玻耳兹曼关系以及等离子区与探针组成的回路中电流遵守基尔霍夫电流定律,是为双探针法测量等离子体电子温度和电子密度计算公式提供的2个依据[10].

图1是双探针法诊断等离子体的原理简图.I1-,I1+,I2-,I2+分别表示探针1和2的电子电流和离子电流,V1和V2分别表示探针1和2对等离子体区的电位,A1和 A2分别表示探针1和2的截面积,j1和 j2分别表示探针1和2周围等离子体区的杂乱电子流密度.

图1 双探针法原理简图

由基尔霍夫电流定律得

根据玻耳兹曼关系式:

两探针间电位差为

若两探针完全相同,截面积 A1=A2=A,离子电流 I1+=I2+=I+,由(1)～(4)式可得

实验中为了利用 ID-VD特性曲线的零点斜率来计算电子温度,上式可变形为

由Bohm公式,电子密度 ne由下式得出:

其中M为放电气体的相对原子质量,k为玻耳兹曼常量,e为单位电荷.

3 实验装置

双探针诊断系统见图2,主要由三大部分组成:真空系统、电源激励系统和探针诊断系统.

真空系统由氖气瓶、石英放电管、真空计和真空泵组成.选用纯度为99.999%的高纯氖气作为放电气体,选用内径为9 mm,长400 mm的石英管作为放电管,开动真空泵并调节气瓶与放电管之间的气阀来调节放电管内气压.实验中由于气压较低,气流对放电管放电影响可以忽略.

图2 双探针诊断系统实验装置图

探针诊断系统由探针回路、高压探头、示波器和连接于放电管和地之间的毫安电流表组成.高压探头和示波器测量放电管放电电压,毫安电流表测量放电电流.探针回路中,采用直流可调电源给探针提供电位差,用微安表测量探针电流.为了给探针施加正反两方向的电位差,在回路中接入一双刀双掷开关,如图2中接法,这样省去了采用双电源供电并通过滑动变阻器调节正反电压的麻烦.为了更大程度上减小探针对被测等离子体区的扰动,探针采用长1.5 cm、直径为0.1 mm的细钨丝与长15 cm、直径为0.6 mm的粗钨丝相接合,并用绝缘管使2根探针相互绝缘,探针头部细钨丝轴心间距为2 mm,垂直密封在距放电管阴极12 cm处,探针暴露在等离子中的距离为5 cm.

电源激励系统由调压器、变压器和直流整流桥组成.

4 实验结论与分析

4.1 双探针的伏安特性曲线

图3为当气压为550 Pa,放电功率为6.91 W时双探针伏安特性曲线的实验曲线和理论曲线对照图.根据理论推导所得的(5)式,利用 Matlab绘图工具,在所给定条件下绘制了双探针理论上的伏安特性曲线.利用实验数据逐点描绘出实验中的双探针伏安特性曲线,与理论曲线进行对比.

图3 双探针伏安特性实验曲线与理论曲线对照

由图3可以看出,实验曲线与理论曲线有所偏差,不是呈现出正负两方向对称的形式,这主要是由于对探针加工条件的限制:

1)两探针的表面积不完全相等,使两探针的饱和正离子电流不相等.从实验数据可以看出,探针特性曲线正负两方向的饱和电流 I0+和 I0-分别为51.8μA和90.8μA,平均数为71.3μA,与理论曲线饱和电流72.3μA相差不大,所以取正负饱和电流的平均数作为其饱和电流.

2)由于两探针在等离子体中所处的区域电位不相等,当VD=0时仍有电流经过两探针,致使探针伏安特性曲线不经过原点.理论曲线VD=0处的斜率为19.77,实验数据取VD=0前后两点,计算其拟合直线的斜率为18.57,实验值与理论值十分接近.另外,随着VD的不断增加,探针附近的空间电荷层(鞘层)的面积也在增加,从而导致 ID缓慢增加,即探针特性曲线饱和部分是以一定斜率不断增加的.

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(5)式计算得等离子体电子温度为1.92 eV.计算电子密度时,考虑到探针边缘效应对计算的影响,对探针有效截面面积进行了修正,再利用(6)式可得等离子体的电子密度为12.9×1016m-3.

4.2 探针直径对测量的影响

实验分别用直径为0.1 mm和0.6 mm的探针,对在相同放电状态下放电管中的等离子体进行了测量,绘制出2个直径的探针所测得的伏安特性曲线,如图4所示.图中可以看出,直径为0.1 mm的探针的特性曲线进入饱和电流区时的拐点比较明显,而0.6 mm探针的特性曲线进入饱和电流区时拐点不清晰,很难判断出从哪点开始进入饱和电流区.这就对曲线的求解带来了不便,增加了求解曲线的误差.为此本次实验采用直径为0.1 mm的探针进行测量,这样不仅减小了读取曲线数据时所产生的误差,也减小了探针对所测等离子体区域的扰动给测量带来的影响.

图4 不同直径探针伏安特性曲线对照

4.3 放电功率对电子温度和电子密度的影响

在气压为550 Pa,分别对不同放电功率的放电状态下等离子体进行了诊断,图5为不同放电功率下探针伏安特性曲线对照图.随着放电功率的增大,等离子体中粒子之间碰撞更加频繁,电子与正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,放电电流增大,探针的饱和正离子电流也随之增大,如图5所示.也正是因为碰撞频率的增加,电子的能量消耗也比较快,从而导致电子温度有所下降.但是当功率增加到一定值时,电离程度趋近于最大值,电子密度增加缓慢,电源提供的能量使电子温度有所增加.

图5 不同放电功率的探针伏安特性曲线对照

图6和图7是电子温度和电子密度随放电功率的变化关系.从图中可以明显看出,随放电功率的增加,电子温度先下降后上升,电子密度增加趋于缓慢.

图6 电子温度随放电功率的变化关系

图7 电子密度随放电功率的变化关系

4.4 相同放电功率下,不同气压对电子温度和电子密度的影响

图8和图9分别为在放电功率为7.5 W的放电状态下,电子温度和电子密度随放电气压的变化规律.从图中可以看出,电子温度随放电气压升高而减小,在较低气压时,电子密度随气压的增加而增加,当气压增加到一定值时电子密度随着气压增加下降很快.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(原子和正离子)碰撞的概率增加,在此过程中电子不断消耗能量,导致电子温度下降.气压在较的低情况下(＜500 Pa),等离子体内部粒子之间碰撞频率较低,电子很容易获得能量而激发中性原子,随着气压的升高,碰撞频率增加,更多的电子从原子中被激发出来,进而电子密度增加;当气压比较高时(＞500 Pa),电子平均自由程减小,碰撞频率增加,电子获得能量较少,使得电离程度减小,所以电子密度随气压的增加而减小.

图8 电子温度随气压的变化关系

图9 电子密度随气压的变化关系

4.5 探针法与光纤光谱法电子密度诊断结果

表1给出了相同工作气压不同放电功率探针法与光纤光谱法诊断结果比较,表2给出的是相同放电功率不同工作气压2种方法诊断结果比较.可以看出2种方法诊断结果的变化趋势是一致的,并且电子密度数量级也相同,只是在具体数值上略微有些差别.以双探针诊断结果为标准,光纤光谱法各结果的相对偏差都小于20%.

表1 不同放电功率探针法与光纤光谱法电子密度诊断结果比较

表2 不同工作气压探针法与光纤光谱法电子密度诊断结果比较

5 结束语

利用自行构建的等离子体Langmuir双探针诊断系统,对圆柱形石英放电管内的氖气辉光放电等离子体进行了诊断.采用直径为0.1 mm的探针,测得伏安特性曲线减小的对读取曲线信息的误差,电子温度电子密度测量结果可靠,为光纤光谱法的测量和修正提供了一个相对准确的数据参照.

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