正柱区朗缪尔探针诊断教学实验设计

张莹莹，张家良，王晓娜，邱 宇，宋远红

正柱区朗缪尔探针诊断教学实验设计

张莹莹，张家良，王晓娜，邱 宇，宋远红

（大连理工大学 物理学院，三束材料改性教育部重点实验室，辽宁 大连 116023）

朗缪尔探针诊断教学实验结合等离子体物理学科发展特色，针对直流辉光放电正柱区，同时设计了朗缪尔单探针和双探针的诊断实验。实验原理清晰，实验现象明显，实验结果可靠。通过对单探针和双探针诊断结果的对比分析，学生不仅学习了两种探针诊断的物理原理、诊断功能和分析方法，同时也认识到各自诊断技术的优缺点，锻炼了学生分析观察能力和创新思维能力，进而培养学生继续探索的科研兴趣。

朗缪尔探针；直流辉光放电；电流-电压特性曲线

放电等离子体在工业领域发挥着极其重要的作用，具有广阔的应用前景。例如放电产生的活性物质，被广泛应用于薄膜沉积、刻蚀以及离子注入等工艺中[1]。低气压直流辉光放电由于装置简单、造价较低、产生的等离子体性质稳定，因此是实验室人工产生等离子体的主要方法，也是实验教学中常用的放电等离子体发生技术。

等离子体的基本性质由电子温度和电子密度（同时也是离子密度）决定。如何测量这2个参数，对于确定等离子体的性质，进而在应用中控制等离子体具有重要作用[2]。常用的等离子体测量手段包括朗缪尔（Langmuir）探针技术、微波干涉技术、光谱技术、质谱技术等[3-5]。其中，朗缪尔探针是等离子体诊断技术中最常用的测量技术，其突出优点是结构简单、操作方便、适用范围广，并且可以获得丰富的等离子体参数。因此，Langmuir探针诊断技术非常适合大学生了解等离子体诊断相关知识[6-7]。

1 低气压直流辉光放电等离子体

在低压气体中两个金属电极之间施加直流电压，气体被击穿后产生稳定的辉光放电模式，放电区域包括：（1）阴极鞘层（包括阿斯顿暗区，电子离开阴极，能量很小；阴极辉光区，电子被加速具有较大能量，部分电子激发气体分子使其辐射发光；阴极暗区，产生大量二次电子）；（2）明亮的负辉区（大量电子发生强烈的碰撞激发或与离子复合，形成激发发光或复合发光）；（3）法拉第暗区（大部分电子失去能量，不足以引起激发）；（4）正柱区（等离子体区，带电粒子做无规则随机运动，基本遵从麦克斯韦速度分布）；（5）阳极鞘层（包括阳极暗区、阳极辉光区）[8-9]，如图1所示。正柱区是最理想的等离子体区，因为正柱区内电子、离子密度很高（109~1010cm–3），且两者相等。

图1 低气压直流辉光放电区域示意图

2 Langmuir单探针设计

将金属丝悬浮地插入等离子体中，由于电子质量小，运动快，将导致金属丝上积累大量负电荷，以致产生明显的悬浮负电位。设计一个Langmuir单探针电路，一端连接金属丝（通常为钨丝）末端，一端连接放电极板，如图2(a)所示。假设探针上电位的变化不会影响等离子体状态，对于探针上每一个电压值，记录下对应的电流值，即可获得单探针的电流-电压（-）特性曲线，如图2(b)所示。

图2 Langmuir单探针电路和I-V特性曲线

3 Langmuir双探针设计

Langmuir双探针由两条单探针并用形成，一条探针作为参考电极，另一条探针作为诊断电极，电路图见图3(a)，-特性曲线见图3(b)。同样，将双探针-特性曲线分为3个区域：A区为饱和离子电流区，探针表面只收集正离子，排斥全部电子；C区为与A区的情形类似，在该区，两只探针的地位互换，探针回路中的电流方向翻转，这是双探针特性曲线呈现原点对称的物理原因；B区为过渡区，在该区，诊断探针上接收的电子流可以忽略，主要收集离子流。过渡 区有：

图3 理想双探针电路和I-V特性曲线

由式（4）和式（5）可以求得电子温度和离子密度（即电子密度）[11]。

4 实验装置

直流辉光等离子体实验装置主要由放电腔室、高压电源和控制系统、真空维持与测量系统、供气与冷却系统、探针测量系统组成，如图4所示。该装置的详细介绍见文献[12]。图4中虚线内是探针电路，2个红色的夹子可以将已经安装好的单探针或者双探针接入电路中，非常方便。对于单探针诊断，选择放电阳极为探针电路的参考电极（图4中左侧放电极板）。双探针为两根非常靠近的钨丝，为了减小对等离子体的干扰，双探针的整体体积应尽量小，所以双探针应尽量靠近；但是两根探针也不能太近，以防止两探针的鞘层互相重叠。该实验装置中，探针为直径0.8 mm的钨丝，一端置于等离子体中，长度为3 mm，另一端穿过放电管暴露于空气中，方便连接到探针电路。放电腔室由2个平行的圆形平板电极组成，直径为4 cm，两电极之间距离为15 cm。探针距离阳极板距离为5 cm，放电气体为氩气。

图4 直流辉光等离子体实验装置

5 数据测量和分析举例

为了锻炼学生的分析观察能力，首先讨论不同气压条件下，直流辉光放电现象随着放电功率的变化情况，如图5所示。当气压等于10 Pa时，随着放电功率从（a）0.53 W（放电电压440 V，电流1.2 mA），增加到（b）1.64 W（放电电压540 V，电流3.04 mA），再增加到（c）2.98 W（放电电压626 V，电流4.76 mA）的过程中，可以观察到负辉区的亮度变亮，而正柱区的长度明显变短。当气压等于20 Pa时，放电功率由（d）1.69 W（放电电压470 V，电流3.59 mA），增加到（e）3.19 W（放电电压523 V，电流6.09 mA），再增加到（f）5.8 W（放电电压595 V，电流9.76 mA）的过程中，负辉区亮度有所增加，而正柱区的长度几乎没有变化。这说明，气压较高的情况下，适合正柱区内等离子体参数的探针诊断。

图5 不同气压条件下，直流辉光放电现象随着放电功率的变化情况

图6 单探针和双探针I-V特性曲线

表1 单、双探针诊断等离子体参数

单探针和双探针的实验结果表明，单探针测得的电子温度和电子密度略高，这是由于单探针诊断方法存在误差造成的。一方面，在饱和电子电流区，探针鞘层面积会随着探针电压持续增加而增加，如果依然按照探针表面积作为电子流的接受面积，按照公式（3），计算得到的电子密度较真实值偏大。另一方面，随着探针电流增加，等离子体本身也会受到探针扰动，而利用双探针测定电子温度和电子密度，则避免了等离子体本身变化对结果的影响，这也是双探针的主要优点[9,13]。

6 结语

学生通过对探针电路连接、放电现象观察、实验数据处理以及实验结果分析讨论，认识到朗缪尔单探针和双探针各自的优势和劣势，了解了等离子体诊断的相关专业知识。通过近几年的实践教学证明，将优势学科资源服务于本科实验教学，有利于激发学生对专业知识探索研究的兴趣和从事科学研究的志向，进而培养其成为基础学科的创新型拔尖人才。

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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

国家自然科学基金青年基金项目（11705017）；国家质量工程项目“科教协同应用物理学专业多元化建设”（ZL201863）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（DUT17LK51）

张莹莹（1984—），女，河南新乡，理学博士，工程师，从事应用物理专业实验教学工作。E-mail: yyzhang1231@dlut.edu.cn