正柱區(qū)朗繆爾探針診斷教學(xué)實驗設(shè)計

張瑩瑩，張家良，王曉娜，邱 宇，宋遠(yuǎn)紅

正柱區(qū)朗繆爾探針診斷教學(xué)實驗設(shè)計

張瑩瑩，張家良，王曉娜，邱 宇，宋遠(yuǎn)紅

（大連理工大學(xué) 物理學(xué)院，三束材料改性教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023）

朗繆爾探針診斷教學(xué)實驗結(jié)合等離子體物理學(xué)科發(fā)展特色，針對直流輝光放電正柱區(qū)，同時設(shè)計了朗繆爾單探針和雙探針的診斷實驗。實驗原理清晰，實驗現(xiàn)象明顯，實驗結(jié)果可靠。通過對單探針和雙探針診斷結(jié)果的對比分析，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了兩種探針診斷的物理原理、診斷功能和分析方法，同時也認(rèn)識到各自診斷技術(shù)的優(yōu)缺點，鍛煉了學(xué)生分析觀察能力和創(chuàng)新思維能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生繼續(xù)探索的科研興趣。

朗繆爾探針；直流輝光放電；電流-電壓特性曲線

放電等離子體在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。例如放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于薄膜沉積、刻蝕以及離子注入等工藝中[1]。低氣壓直流輝光放電由于裝置簡單、造價較低、產(chǎn)生的等離子體性質(zhì)穩(wěn)定，因此是實驗室人工產(chǎn)生等離子體的主要方法，也是實驗教學(xué)中常用的放電等離子體發(fā)生技術(shù)。

等離子體的基本性質(zhì)由電子溫度和電子密度（同時也是離子密度）決定。如何測量這2個參數(shù)，對于確定等離子體的性質(zhì)，進(jìn)而在應(yīng)用中控制等離子體具有重要作用[2]。常用的等離子體測量手段包括朗繆爾（Langmuir）探針技術(shù)、微波干涉技術(shù)、光譜技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)等[3-5]。其中，朗繆爾探針是等離子體診斷技術(shù)中最常用的測量技術(shù)，其突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適用范圍廣，并且可以獲得豐富的等離子體參數(shù)。因此，Langmuir探針診斷技術(shù)非常適合大學(xué)生了解等離子體診斷相關(guān)知識[6-7]。

1 低氣壓直流輝光放電等離子體

在低壓氣體中兩個金屬電極之間施加直流電壓，氣體被擊穿后產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光放電模式，放電區(qū)域包括：（1）陰極鞘層（包括阿斯頓暗區(qū)，電子離開陰極，能量很??；陰極輝光區(qū)，電子被加速具有較大能量，部分電子激發(fā)氣體分子使其輻射發(fā)光；陰極暗區(qū)，產(chǎn)生大量二次電子）；（2）明亮的負(fù)輝區(qū)（大量電子發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞激發(fā)或與離子復(fù)合，形成激發(fā)發(fā)光或復(fù)合發(fā)光）；（3）法拉第暗區(qū)（大部分電子失去能量，不足以引起激發(fā)）；（4）正柱區(qū)（等離子體區(qū)，帶電粒子做無規(guī)則隨機(jī)運(yùn)動，基本遵從麥克斯韋速度分布）；（5）陽極鞘層（包括陽極暗區(qū)、陽極輝光區(qū)）[8-9]，如圖1所示。正柱區(qū)是最理想的等離子體區(qū)，因為正柱區(qū)內(nèi)電子、離子密度很高（109~1010cm–3），且兩者相等。

圖1 低氣壓直流輝光放電區(qū)域示意圖

2 Langmuir單探針設(shè)計

將金屬絲懸浮地插入等離子體中，由于電子質(zhì)量小，運(yùn)動快，將導(dǎo)致金屬絲上積累大量負(fù)電荷，以致產(chǎn)生明顯的懸浮負(fù)電位。設(shè)計一個Langmuir單探針電路，一端連接金屬絲（通常為鎢絲）末端，一端連接放電極板，如圖2(a)所示。假設(shè)探針上電位的變化不會影響等離子體狀態(tài)，對于探針上每一個電壓值，記錄下對應(yīng)的電流值，即可獲得單探針的電流-電壓（-）特性曲線，如圖2(b)所示。

圖2 Langmuir單探針電路和I-V特性曲線

3 Langmuir雙探針設(shè)計

Langmuir雙探針由兩條單探針并用形成，一條探針作為參考電極，另一條探針作為診斷電極，電路圖見圖3(a)，-特性曲線見圖3(b)。同樣，將雙探針-特性曲線分為3個區(qū)域：A區(qū)為飽和離子電流區(qū)，探針表面只收集正離子，排斥全部電子；C區(qū)為與A區(qū)的情形類似，在該區(qū)，兩只探針的地位互換，探針回路中的電流方向翻轉(zhuǎn)，這是雙探針特性曲線呈現(xiàn)原點對稱的物理原因；B區(qū)為過渡區(qū)，在該區(qū)，診斷探針上接收的電子流可以忽略，主要收集離子流。過渡 區(qū)有：

圖3 理想雙探針電路和I-V特性曲線

由式（4）和式（5）可以求得電子溫度和離子密度（即電子密度）[11]。

4 實驗裝置

直流輝光等離子體實驗裝置主要由放電腔室、高壓電源和控制系統(tǒng)、真空維持與測量系統(tǒng)、供氣與冷卻系統(tǒng)、探針測量系統(tǒng)組成，如圖4所示。該裝置的詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)[12]。圖4中虛線內(nèi)是探針電路，2個紅色的夾子可以將已經(jīng)安裝好的單探針或者雙探針接入電路中，非常方便。對于單探針診斷，選擇放電陽極為探針電路的參考電極（圖4中左側(cè)放電極板）。雙探針為兩根非?？拷逆u絲，為了減小對等離子體的干擾，雙探針的整體體積應(yīng)盡量小，所以雙探針應(yīng)盡量靠近；但是兩根探針也不能太近，以防止兩探針的鞘層互相重疊。該實驗裝置中，探針為直徑0.8 mm的鎢絲，一端置于等離子體中，長度為3 mm，另一端穿過放電管暴露于空氣中，方便連接到探針電路。放電腔室由2個平行的圓形平板電極組成，直徑為4 cm，兩電極之間距離為15 cm。探針距離陽極板距離為5 cm，放電氣體為氬氣。

圖4 直流輝光等離子體實驗裝置

5 數(shù)據(jù)測量和分析舉例

為了鍛煉學(xué)生的分析觀察能力，首先討論不同氣壓條件下，直流輝光放電現(xiàn)象隨著放電功率的變化情況，如圖5所示。當(dāng)氣壓等于10 Pa時，隨著放電功率從（a）0.53 W（放電電壓440 V，電流1.2 mA），增加到（b）1.64 W（放電電壓540 V，電流3.04 mA），再增加到（c）2.98 W（放電電壓626 V，電流4.76 mA）的過程中，可以觀察到負(fù)輝區(qū)的亮度變亮，而正柱區(qū)的長度明顯變短。當(dāng)氣壓等于20 Pa時，放電功率由（d）1.69 W（放電電壓470 V，電流3.59 mA），增加到（e）3.19 W（放電電壓523 V，電流6.09 mA），再增加到（f）5.8 W（放電電壓595 V，電流9.76 mA）的過程中，負(fù)輝區(qū)亮度有所增加，而正柱區(qū)的長度幾乎沒有變化。這說明，氣壓較高的情況下，適合正柱區(qū)內(nèi)等離子體參數(shù)的探針診斷。

圖5 不同氣壓條件下，直流輝光放電現(xiàn)象隨著放電功率的變化情況

圖6 單探針和雙探針I(yè)-V特性曲線

表1 單、雙探針診斷等離子體參數(shù)

單探針和雙探針的實驗結(jié)果表明，單探針測得的電子溫度和電子密度略高，這是由于單探針診斷方法存在誤差造成的。一方面，在飽和電子電流區(qū)，探針鞘層面積會隨著探針電壓持續(xù)增加而增加，如果依然按照探針表面積作為電子流的接受面積，按照公式（3），計算得到的電子密度較真實值偏大。另一方面，隨著探針電流增加，等離子體本身也會受到探針擾動，而利用雙探針測定電子溫度和電子密度，則避免了等離子體本身變化對結(jié)果的影響，這也是雙探針的主要優(yōu)點[9,13]。

6 結(jié)語

學(xué)生通過對探針電路連接、放電現(xiàn)象觀察、實驗數(shù)據(jù)處理以及實驗結(jié)果分析討論，認(rèn)識到朗繆爾單探針和雙探針各自的優(yōu)勢和劣勢，了解了等離子體診斷的相關(guān)專業(yè)知識。通過近幾年的實踐教學(xué)證明，將優(yōu)勢學(xué)科資源服務(wù)于本科實驗教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識探索研究的興趣和從事科學(xué)研究的志向，進(jìn)而培養(yǎng)其成為基礎(chǔ)學(xué)科的創(chuàng)新型拔尖人才。

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Design of teaching experiment on Langmuir probe diagnosis in positive column

ZHANG Yingying, ZHANG Jialiang, WANG Xiaona, QIU Yu, SONG Yuanhong

(Key Laboratory of Modification of Three Beams of Materials of Ministry of Education School of Physics, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

The technology of Langmuir probe diagnosis is combined with the development characteristics of plasma physics. Aiming at the positive column region of DC glow discharge, the Langmuir probe diagnostic experiment with single probe and double probe is designed. The experimental principle is clear, the experimental phenomena are obvious, and the experimental results are reliable. By comparing and analyzing the diagnostic results of the single probe and double probe, students not only learn the physical principles, diagnostic functions and analytical methods of the two probes, but also recognize the advantages and disadvantages of their respective diagnostic techniques, which has trained students’ ability of analysis and observation and their creative thinking, and then cultivated their interest in scientific research to continue exploring and researching.

Langmuir probe; DC glow discharge; current-voltage characteristic curve

G642.423；O536

A

1002-4956(2019)10-0069-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.016

2019-03-15

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（11705017）；國家質(zhì)量工程項目“科教協(xié)同應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)多元化建設(shè)”（ZL201863）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（DUT17LK51）

張瑩瑩（1984—），女，河南新鄉(xiāng)，理學(xué)博士，工程師，從事應(yīng)用物理專業(yè)實驗教學(xué)工作。E-mail: yyzhang1231@dlut.edu.cn