探針法等離子體診斷的原理分析

曹虹+胡要花

摘 要：等離子體診斷是一門測(cè)定等離子體特性的技術(shù)，本文對(duì)探針法等離子體探測(cè)的原理進(jìn)行了理論分析，包括靜電探針、磁探針和電導(dǎo)率探針技術(shù)，并對(duì)每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論。本討論對(duì)等離子體光譜診斷具有一定參考意義和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：等離子體診斷；靜電探針；磁探針；電導(dǎo)率探針

一、 引言

等離子體（Plasma）是一種由帶電離子和自由電子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，可理解為電離的氣體，該形態(tài)的物質(zhì)廣泛存在于宇宙之中，也是宇宙中含量最多的物質(zhì)形態(tài)，常被視為是物質(zhì)的第四態(tài)，被稱為等離子態(tài)，也稱“超氣態(tài)”或“電漿體”。

等離子體含有大量的自由電荷，因此其電導(dǎo)率相對(duì)較大，等離子體主要靠它受到電磁力的作用來控制其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。等離子體內(nèi)含有帶電離子和自由電子，有些還可能含有中性的原子和分子，等離子體內(nèi)的正負(fù)電荷大致相等，因此這種形態(tài)的物質(zhì)整體呈電中性。

等離子體特性診斷是一門測(cè)定等離子體特性的技術(shù)。根據(jù)不同的情況會(huì)有不同的診斷方法。最常用的方法有光譜法、探針法和微波法，除此之外，還有一些特殊情況使用的方法如激光法、粒子束法等。等離子體特性診斷需要測(cè)得的參數(shù)主要有電子的溫度、密度、碰撞頻率等，我們根據(jù)電子的溫度和密度的不同尺度，選取不同的測(cè)量方法。

二、 探針法等離子體診斷的基本原理

探針法是等離子體特性診斷中比較直觀的基本方法，這個(gè)方法就是把一個(gè)探針放入被診斷的等離子體內(nèi)，通過實(shí)體探針探測(cè)到等離子體的某些參量。探針法使用的探針也分很多種，分別介紹如下：

（一） 靜電探針

實(shí)驗(yàn)中，在探針和補(bǔ)償電極之間加上偏置電壓，連接好電路之后，等離子體中帶電粒子就會(huì)被靜電探針?biāo)趲щ娏Ｗ拥淖饔孟滦纬呻娏?。在探針的外部連接著電壓表和電流表，通過記錄和比較兩表中測(cè)得的數(shù)據(jù)，就可以描述出靜電探針中的電流和電壓的關(guān)系，即伏安特性曲線。等離子體特性曲線可以分為三個(gè)部分，分別叫做飽和離子電流區(qū)、過渡區(qū)和飽和電子電流區(qū)。

飽和離子電流區(qū)的等離子體空間電位遠(yuǎn)高于探針的電位，故絕大部分被探針收集的粒子是正電離子。

過渡區(qū)中的等離子體空間電位比飽和離子電流區(qū)的電位高，但依然比空間電位低。過渡區(qū)中負(fù)電電子和正電離子都可以被探針?biāo)占捎谡婋x子和負(fù)電電子的同向運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反向的電流，在某一時(shí)刻，兩個(gè)方向的電流相等，于是探針的總電流是0，這時(shí)候探針的電位叫做浮置電位。飽和離子電流區(qū)和過渡區(qū)的特性被稱作“負(fù)探針特性”。

當(dāng)空間電位與探針的電位相等時(shí)，帶電離子在自身熱運(yùn)動(dòng)的作用下到達(dá)探針表面，探針表面存在不相上下的正負(fù)兩種電荷，由于探針表面電荷的正負(fù)沒有規(guī)律，所以探針收集的電荷極性也沒有規(guī)律，粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流是無規(guī)電流，特征曲線處于飽和電子電流區(qū)。當(dāng)探針的電位比空間電位高時(shí)，絕大部分正電離子都在探針表面電荷的作用下被排斥，探針幾乎只探測(cè)到電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。

以上對(duì)靜電探針的敘述從理論上說明了等離子體特性和靜電探針狀態(tài)之間的基本的關(guān)系，從靜電探針連接的電流表和電壓表上的數(shù)據(jù)上可以求出等離子體中的電子溫度和粒子密度，改變探針的位置就能測(cè)出另一位置的等離子體特性，多次改變探針位置就能得到描述等離子體特性的參數(shù)的分布情況。

（二） 磁探針

磁探針就是一個(gè)線圈，在等離子體診斷中把一個(gè)線圈放入等離子體中當(dāng)做探針，等離子體中的磁場(chǎng)是變化的磁場(chǎng)，線圈在磁場(chǎng)中會(huì)隨著磁通量Φ的變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)ε，利用這個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)就能推出當(dāng)前探針的位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系。

當(dāng)前探針位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以通過把積分電路接入磁探針而直接得到。改變磁探針的線圈方向就能測(cè)出其他方向上的磁場(chǎng)的分量，根據(jù)多次改變線圈方向得到的多個(gè)磁場(chǎng)分量與方向的關(guān)系就能推出描述等離子體特性的參數(shù)的分布情況。

磁探針的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便，測(cè)量位置靈活，故在等離子體特性的診斷研究中，磁探針有廣泛的應(yīng)用，磁探針的引入也使得磁場(chǎng)對(duì)等離子體特性的影響有了更加深入的研究。但是磁探針也不是所有等離子體特性診斷都適合使用的，特性隨時(shí)間變化而明顯改變的等離子體才適合使用磁探針診斷，由于磁探針的原理是通過感應(yīng)磁通量的變化而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，但這樣產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)一般比較微弱，故大大影響了輸出信號(hào)的可讀性，所以要提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，我們要做一些靜電屏蔽的工作。

（三） 電導(dǎo)率探針

電導(dǎo)率探針由兩組線圈組成，這兩組線圈分別叫做探測(cè)線圈和磁場(chǎng)線圈，電導(dǎo)率探針的基本原理是磁場(chǎng)和等離子體之間的作用導(dǎo)致的變化，電導(dǎo)率線圈可以方便的確定等離子體的電導(dǎo)率，常用的電導(dǎo)率探針由電導(dǎo)率計(jì)，以及射頻電導(dǎo)率探針等。

射頻電導(dǎo)率探針只有一個(gè)線圈，這一個(gè)線圈既是磁場(chǎng)線圈，又可以是探測(cè)線圈，射頻電導(dǎo)率探針的這個(gè)線圈連接一個(gè)振蕩器，這個(gè)振蕩器可以產(chǎn)生高頻震蕩，然后傳輸?shù)降入x子體上的電解質(zhì)窗口上，并在等離子體中感應(yīng)出渦流，線圈的阻抗又在渦流的影響下改變。通過測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得知線圈的諧振頻率及其變化，就能夠得出等離子體的電導(dǎo)率。

三、 結(jié)論

探針法是等離子體診斷的一個(gè)重要方法，本文分析了靜電探針、磁探針和電導(dǎo)率探針的具體工作原理，為實(shí)際等離子體診斷探針的選擇提供了理論基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

曹虹，胡要花，河南省洛陽市，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院。endprint