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1、LANGMUIR 探针实验本文档由【中文word文档库】提供，转载分发敬请保留本信息；中文word文档库免费提供海量范文、教育、学习、政策、报告和经济类word文档。ji 。 因此，金属丝刚插入等离子体内的极短时间内，金属丝表面会出现净的负电荷。该负电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子。过程平衡时，金属丝的电位为 vf 。 设等离子体空间电位为vsp ， 则在 vsp-vf 作用下， je= ji 。 vf 即为悬浮地插入的金属丝的悬浮电位。 显然， vfvsp ，亦即在金属丝与等离子体之间形成了一个电位差为vsp-vf 的鞘层。向金属丝飞来的正离子不受鞘层电场的影响；而电子在穿越鞘层时，受到拒
2、斥场的作用，只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面。根据玻尔兹曼分布函数，可知能穿过这个势垒的电子浓度为： 其中 ne0 为等离子体区域内的电子浓度。平衡时，je=ji ，即： 因 neo=ni ( 设等离子体离子为单电荷离子) ，粒子平均热运动速度为 =8kT/(m)1/2，故(6) 式可改写为： 以氩等离子体为例，设kTe=2ev，kTi=0.043ev，mi/me=1840x40， 则 vsp-vf=15v 左右。 正离子穿越鞘层获得动能（Ei）： 二. Langmuir单探针的工作原理 如果我们在插入等离子体中的金属丝的末端连接上简单的电路（如图2所示）便构成了 Lang
3、muir单探针。调节电位器可使探针（即金属丝）的电位由-45V变到+45V。假设在调节探针电位的过程中，等离子体的状态保持稳定。对应探针电位由负变到正的每一个电位值,记录下电流表所指示的相应的每一个流过探针的电流值。据此即可得探针I-V特性曲线(如图3所示)。 现在我们来分析一下Langmuir单探针的I-V特性曲线的成因。 为了表述方便起见，我们采用圆盘型的平面探针，并画出了平面探针的鞘层表面（如图4所示）。 图2 Langmuir 单探针电路 由第一节所述的余弦定律可知：单位时间内落在单位鞘层表面积内的电子数与离子数可分别用（1）、（2）两式表示。至于落到鞘层表面的粒子能否落到探针表面，则
4、取决于粒子的种类（正离子还是电子）与鞘层电场的性质（大小与方向）。 图3 单探针的I-V特性曲线 图4 下面将单探针I-V特性曲线分为A、B、C三个区域进行分析： A区：饱和离子电流区。在该区，探针电位（Vp）远远小于等离子体空间电位（Vsp），即VpVsp。此时，全部电子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面，只有正离子能被探针收集，这些正离子也就是到达鞘层表面的那些正离子，其数值由（2）式确定。显然，该数值由等离子体的性质(ni与)决定，而与鞘层电场大小无关。由（4）式决定的离子电流密度也就是探针所能收集到的最大离子电流密度，称为饱和离子电流密度，将其乘以探针暴露在等离子体里的总面积，即为探
5、针饱和离子电流。 C区：饱和电子电流区。与A区的情形类似，在该区，VpVsp，此时全部正离子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面，只有电子能被探针收集。这些电子也就是到达鞘层表面的那些电子，其数值由（1）式决定。同样，该数值由等离子体的性质（neo,）决定，而与鞘层电场的大小无关。由（3）式决定的电子电流密度(ne取neo的值)也就是探针所能收集到的最大电子电流密度，称为饱和电子电流密度。将其乘以探针总面积即为探针饱和电子电流。 图5 电子能量分布函数 B区：过渡区。该区的情形稍为复杂一点。在该区，Vp= Vsp时，探针电流到达电子饱和电流；而当Vp Vsp 之后，Vp继续增大时，鞘层表面积随
6、Vp而增大（图12）。因此落到整个鞘层表面的电子数继续增加。既然落到鞘层表面的电子都能落到探针上，故探针电流Ip 也继续增加，使得拐点变得难以确定。这就是用单探针不能准确测定等离子体空间电位Vsp 的主要原因。人们发现，发射探针法（包括可直接指示等离子体空间电位的差分发射探针）与激光诱导荧光（LIF）法等可以较准确地测定Vsp。3、 参考电位 本文以实验室地作为参考电位（零电位），这与实际测量相符，十分方便；但是有关表达式稍显复杂。有的文献以等离子体空间电位作为参考电位, 可使有关表达式大为简化；只是处理测量量时要细心一点，注意把参考电位转换后，再用他们的公式。 六、对实验报告的要求：1、 在
7、搞懂Langmuir 单探针工作原理的基础上，用自己的话（不要照抄讲义）加以阐明。2、 对用逐点测量法测量到的I-V特性数据进行处理，将结果写入实验报告。3、 改变放电电流的大小，用计算机扫描法测量等离子体电子密度与电子温度相应的值，作图说明变化规律。4、 通过查参考资料，弄清曲线最小二乘拟合原理。推导出直线最小二乘拟合的表达式。5、 画出计算机采集、显示、处理单探针I-V特性曲线的程序流程图。参考文献：1、 钱振型主编，固体电子学中的等离子体技术，科学出版社。2、 甄汉生主编，等离子体加工技术，清华大学出版社。3、 Wang En-Yao et al, Rev. Sci. Instrum., 56(4),519,April 1985.本文档由【中文word文档库】提供，转载分发敬请保留本信息；中文word文档库免费提供海量范文、教育、学习、政策、报告和经济类word文档。a href=9
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