Langmuir雙探針診斷Ne輝光放電管電子密度

俞 哲,張芝濤,趙建森

(大連海事大學物理系,遼寧大連116026)

1 引 言

等離子體作為物質(zhì)存在的第四態(tài)不僅已經(jīng)被人們所認知,而且在實際應用中等離子體技術(shù)也得到了廣泛的應用[1-3].例如新材料的合成、聚合和改進,環(huán)境污染物的治理,滅菌消毒,靜電除塵,高濃度臭氧的制備等眾多方面.準確測量出等離子體的電子溫度和電子密度有助于了解等離子體內(nèi)部反應機理,在等離子體技術(shù)的應用中有著至關(guān)重要的作用.

隨著等離子體技術(shù)的發(fā)展,各種等離子體診斷技術(shù)也隨之發(fā)展起來[4].光譜法作為一種時空分辨性能良好的實時、在線、原位、無擾動的方法[5],得到了廣泛的應用.其中,發(fā)射光譜法最為常用,這種方法通過研究波譜中含有的譜線成份、寬度和強度等來分析等離子體中的多種參量,是一種非接觸的被動測量方法,對等離子體本身不會產(chǎn)生干擾.這種方法在利用Saha方程、Stark展寬法或 Thom som散射法進行測量電子密度時,需要等離子體滿足居于熱平衡的要求[6],并且這些方法存在著統(tǒng)計權(quán)重數(shù)值有誤差、計算繁瑣、測量范圍較小的缺陷.為此我們結(jié)合發(fā)射光譜法[7],采用了光纖光譜協(xié)同放電電流法估算電子密度,這是一種可在相當寬范圍內(nèi)診斷放電等離子體電子密度的簡便診斷方法.而如何判斷這種電子密度診斷方法結(jié)果的可靠性和準確性便成為首要考慮的問題.

雙探針法是在單探針法的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,自誕生以來一直得到比較普遍的應用[8-9].其優(yōu)點有:1)在等離子體區(qū)域中某一小體積內(nèi)進行測量,可以認為這一小體積內(nèi)的等離子體處于局部熱平衡狀態(tài);2)探針上的電流始終小于飽和電子電流,因此對等離子區(qū)的影響較小;3)相對單探針而言,雙探針的電位不以放電電極為參考點,從而避免了由于探針上的電流過大而損壞探針;4)雙探針結(jié)構(gòu)簡單,沒有復雜的實驗裝置,易于操作,特別是探針法是一種主動測量方法,通過調(diào)節(jié)探針在等離子體內(nèi)的位置,可以測量等離子各局部的參數(shù),其結(jié)果也比較可靠,為大多數(shù)從事等離子體研究工作者所接受.

本文將選用比較成熟且行之有效的雙探針法,對圓柱型石英管中氖氣直流輝光放電等離子體進行診斷,并對結(jié)果進行了分析.

2 雙探針診斷原理

探針上的電流服從玻耳茲曼關(guān)系以及等離子區(qū)與探針組成的回路中電流遵守基爾霍夫電流定律,是為雙探針法測量等離子體電子溫度和電子密度計算公式提供的2個依據(jù)[10].

圖1是雙探針法診斷等離子體的原理簡圖.I1-,I1+,I2-,I2+分別表示探針1和2的電子電流和離子電流,V1和V2分別表示探針1和2對等離子體區(qū)的電位,A1和 A2分別表示探針1和2的截面積,j1和 j2分別表示探針1和2周圍等離子體區(qū)的雜亂電子流密度.

圖1 雙探針法原理簡圖

由基爾霍夫電流定律得

根據(jù)玻耳茲曼關(guān)系式:

兩探針間電位差為

若兩探針完全相同,截面積 A1=A2=A,離子電流 I1+=I2+=I+,由(1)～(4)式可得

實驗中為了利用 ID-VD特性曲線的零點斜率來計算電子溫度,上式可變形為

由Bohm公式,電子密度 ne由下式得出:

其中M為放電氣體的相對原子質(zhì)量,k為玻耳茲曼常量,e為單位電荷.

3 實驗裝置

雙探針診斷系統(tǒng)見圖2,主要由三大部分組成:真空系統(tǒng)、電源激勵系統(tǒng)和探針診斷系統(tǒng).

真空系統(tǒng)由氖氣瓶、石英放電管、真空計和真空泵組成.選用純度為99.999%的高純氖氣作為放電氣體,選用內(nèi)徑為9 mm,長400 mm的石英管作為放電管,開動真空泵并調(diào)節(jié)氣瓶與放電管之間的氣閥來調(diào)節(jié)放電管內(nèi)氣壓.實驗中由于氣壓較低,氣流對放電管放電影響可以忽略.

圖2 雙探針診斷系統(tǒng)實驗裝置圖

探針診斷系統(tǒng)由探針回路、高壓探頭、示波器和連接于放電管和地之間的毫安電流表組成.高壓探頭和示波器測量放電管放電電壓,毫安電流表測量放電電流.探針回路中,采用直流可調(diào)電源給探針提供電位差,用微安表測量探針電流.為了給探針施加正反兩方向的電位差,在回路中接入一雙刀雙擲開關(guān),如圖2中接法,這樣省去了采用雙電源供電并通過滑動變阻器調(diào)節(jié)正反電壓的麻煩.為了更大程度上減小探針對被測等離子體區(qū)的擾動,探針采用長1.5 cm、直徑為0.1 mm的細鎢絲與長15 cm、直徑為0.6 mm的粗鎢絲相接合,并用絕緣管使2根探針相互絕緣,探針頭部細鎢絲軸心間距為2 mm,垂直密封在距放電管陰極12 cm處,探針暴露在等離子中的距離為5 cm.

電源激勵系統(tǒng)由調(diào)壓器、變壓器和直流整流橋組成.

4 實驗結(jié)論與分析

4.1 雙探針的伏安特性曲線

圖3為當氣壓為550 Pa,放電功率為6.91 W時雙探針伏安特性曲線的實驗曲線和理論曲線對照圖.根據(jù)理論推導所得的(5)式,利用 Matlab繪圖工具,在所給定條件下繪制了雙探針理論上的伏安特性曲線.利用實驗數(shù)據(jù)逐點描繪出實驗中的雙探針伏安特性曲線,與理論曲線進行對比.

圖3 雙探針伏安特性實驗曲線與理論曲線對照

由圖3可以看出,實驗曲線與理論曲線有所偏差,不是呈現(xiàn)出正負兩方向?qū)ΨQ的形式,這主要是由于對探針加工條件的限制:

1)兩探針的表面積不完全相等,使兩探針的飽和正離子電流不相等.從實驗數(shù)據(jù)可以看出,探針特性曲線正負兩方向的飽和電流 I0+和 I0-分別為51.8μA和90.8μA,平均數(shù)為71.3μA,與理論曲線飽和電流72.3μA相差不大,所以取正負飽和電流的平均數(shù)作為其飽和電流.

2)由于兩探針在等離子體中所處的區(qū)域電位不相等,當VD=0時仍有電流經(jīng)過兩探針,致使探針伏安特性曲線不經(jīng)過原點.理論曲線VD=0處的斜率為19.77,實驗數(shù)據(jù)取VD=0前后兩點,計算其擬合直線的斜率為18.57,實驗值與理論值十分接近.另外,隨著VD的不斷增加,探針附近的空間電荷層(鞘層)的面積也在增加,從而導致 ID緩慢增加,即探針特性曲線飽和部分是以一定斜率不斷增加的.

利用讀取上述伏安特性曲線所得飽和電流和零點斜率,通過(5)式計算得等離子體電子溫度為1.92 eV.計算電子密度時,考慮到探針邊緣效應對計算的影響,對探針有效截面面積進行了修正,再利用(6)式可得等離子體的電子密度為12.9×1016m-3.

4.2 探針直徑對測量的影響

實驗分別用直徑為0.1 mm和0.6 mm的探針,對在相同放電狀態(tài)下放電管中的等離子體進行了測量,繪制出2個直徑的探針所測得的伏安特性曲線,如圖4所示.圖中可以看出,直徑為0.1 mm的探針的特性曲線進入飽和電流區(qū)時的拐點比較明顯,而0.6 mm探針的特性曲線進入飽和電流區(qū)時拐點不清晰,很難判斷出從哪點開始進入飽和電流區(qū).這就對曲線的求解帶來了不便,增加了求解曲線的誤差.為此本次實驗采用直徑為0.1 mm的探針進行測量,這樣不僅減小了讀取曲線數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的誤差,也減小了探針對所測等離子體區(qū)域的擾動給測量帶來的影響.

圖4 不同直徑探針伏安特性曲線對照

4.3 放電功率對電子溫度和電子密度的影響

在氣壓為550 Pa,分別對不同放電功率的放電狀態(tài)下等離子體進行了診斷,圖5為不同放電功率下探針伏安特性曲線對照圖.隨著放電功率的增大,等離子體中粒子之間碰撞更加頻繁,電子與正離子和原子碰撞概率增加,從而會有更多電子從原子中被激發(fā)出來,電子數(shù)目增加,即電子密度增大,使等離子體的電導率增加,放電電流增大,探針的飽和正離子電流也隨之增大,如圖5所示.也正是因為碰撞頻率的增加,電子的能量消耗也比較快,從而導致電子溫度有所下降.但是當功率增加到一定值時,電離程度趨近于最大值,電子密度增加緩慢,電源提供的能量使電子溫度有所增加.

圖5 不同放電功率的探針伏安特性曲線對照

圖6和圖7是電子溫度和電子密度隨放電功率的變化關(guān)系.從圖中可以明顯看出,隨放電功率的增加,電子溫度先下降后上升,電子密度增加趨于緩慢.

圖6 電子溫度隨放電功率的變化關(guān)系

圖7 電子密度隨放電功率的變化關(guān)系

4.4 相同放電功率下,不同氣壓對電子溫度和電子密度的影響

圖8和圖9分別為在放電功率為7.5 W的放電狀態(tài)下,電子溫度和電子密度隨放電氣壓的變化規(guī)律.從圖中可以看出,電子溫度隨放電氣壓升高而減小,在較低氣壓時,電子密度隨氣壓的增加而增加,當氣壓增加到一定值時電子密度隨著氣壓增加下降很快.這是因為,隨著氣壓增加放電氣體的密度增加,電子與其他粒子(原子和正離子)碰撞的概率增加,在此過程中電子不斷消耗能量,導致電子溫度下降.氣壓在較的低情況下(＜500 Pa),等離子體內(nèi)部粒子之間碰撞頻率較低,電子很容易獲得能量而激發(fā)中性原子,隨著氣壓的升高,碰撞頻率增加,更多的電子從原子中被激發(fā)出來,進而電子密度增加;當氣壓比較高時(＞500 Pa),電子平均自由程減小,碰撞頻率增加,電子獲得能量較少,使得電離程度減小,所以電子密度隨氣壓的增加而減小.

圖8 電子溫度隨氣壓的變化關(guān)系

圖9 電子密度隨氣壓的變化關(guān)系

4.5 探針法與光纖光譜法電子密度診斷結(jié)果

表1給出了相同工作氣壓不同放電功率探針法與光纖光譜法診斷結(jié)果比較,表2給出的是相同放電功率不同工作氣壓2種方法診斷結(jié)果比較.可以看出2種方法診斷結(jié)果的變化趨勢是一致的,并且電子密度數(shù)量級也相同,只是在具體數(shù)值上略微有些差別.以雙探針診斷結(jié)果為標準,光纖光譜法各結(jié)果的相對偏差都小于20%.

表1 不同放電功率探針法與光纖光譜法電子密度診斷結(jié)果比較

表2 不同工作氣壓探針法與光纖光譜法電子密度診斷結(jié)果比較

5 結(jié)束語

利用自行構(gòu)建的等離子體Langmuir雙探針診斷系統(tǒng),對圓柱形石英放電管內(nèi)的氖氣輝光放電等離子體進行了診斷.采用直徑為0.1 mm的探針,測得伏安特性曲線減小的對讀取曲線信息的誤差,電子溫度電子密度測量結(jié)果可靠,為光纖光譜法的測量和修正提供了一個相對準確的數(shù)據(jù)參照.

[1] 江南.我國低溫等離子體研究進展Ⅰ[J].物理,2006,35(2):130-139.

[2] 江南.我國低溫等離子體研究進展Ⅱ[J].物理,2006,35(3):230-237.

[3] 菅井秀郎.等離子體電子工程學[M].張海波,張丹,譯.北京:科學出版社,2002.

[4] 劉曉東,鄭小泉,張要強,等.低溫等離子體診斷方法[J].絕緣材料,2006,39(2):43-46.

[5] 吳蓉,李燕,朱順官,等.等離子體電子溫度的發(fā)射光譜法診斷[J].光譜學與光譜分析,2008,28(4):731-735.

[6] 伊利勇,溫小瓊,王德真.細長金屬管內(nèi)產(chǎn)生的直流輝光放電等離子體發(fā)射光譜診斷[J].光譜學與光譜分析,2008,28(12):2 745-2 748.

[7] 馮紅艷,吳蓉,李燕,等.小尺寸等離子體電子密度原子發(fā)射光譜診斷[J].分析科學學報,2008,24(1):103-107.

[8] 陳宗柱.穩(wěn)態(tài)放電等離子體區(qū)域中電子溫度的雙探針測量法[J].電子器件,1995,18(2):90-96.

[9] Demidov V I,Ratynskaia S V,Rypdal K.Electric p robes fo r plasma:The link between theo ry and instrument[J].Rev.Sci.Instrum.,2002,73(10):3 409-3 439.

[10] 石玉龍,謝雁,李世直.直流等離子體的雙探針診斷[J].真空,1987,24(2):18-22.