俞 哲,張芝濤,趙建森

(大連海事大學(xué)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(rèn)知,而且在實(shí)際應(yīng)用中等離子體技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].例如新材料的合成、聚合和改進(jìn),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(zhǔn)確測(cè)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(yīng)機(jī)理,在等離子體技術(shù)的應(yīng)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(lái)[4].光譜法作為一種時(shí)空分辨性能良好的實(shí)時(shí)、在線、原位、無(wú)擾動(dòng)的方法[5],得到了廣泛的應(yīng)用.其中,發(fā)射光譜法最為常用,這種方法通過(guò)研究波譜中含有的譜線成份、寬度和強(qiáng)度等來(lái)分析等離子體中的多種參量,是一種非接觸的被動(dòng)測(cè)量方法,對(duì)等離子體本身不會(huì)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(jìn)行測(cè)量電子密度時(shí),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(jì)權(quán)重?cái)?shù)值有誤差、計(jì)算繁瑣、測(cè)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(dāng)寬范圍內(nèi)診斷放電等離子體電子密度的簡(jiǎn)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(zhǔn)確性便成為首要考慮的問(wèn)題.

雙探針?lè)ㄊ窃趩翁结樂(lè)ǖ幕A(chǔ)上發(fā)展來(lái)的,自誕生以來(lái)一直得到比較普遍的應(yīng)用[8-9].其優(yōu)點(diǎn)有:1)在等離子體區(qū)域中某一小體積內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,可以認(rèn)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(duì)等離子區(qū)的影響較小;3)相對(duì)單探針而言,雙探針的電位不以放電電極為參考點(diǎn),從而避免了由于探針上的電流過(guò)大而損壞探針;4)雙探針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒有復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置,易于操作,特別是探針?lè)ㄊ且环N主動(dòng)測(cè)量方法,通過(guò)調(diào)節(jié)探針在等離子體內(nèi)的位置,可以測(cè)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?lè)?對(duì)圓柱型石英管中氖氣直流輝光放電等離子體進(jìn)行診斷,并對(duì)結(jié)果進(jìn)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?lè)y(cè)量等離子體電子溫度和電子密度計(jì)算公式提供的2個(gè)依據(jù)[10].

圖1是雙探針?lè)ㄔ\斷等離子體的原理簡(jiǎn)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(duì)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?lè)ㄔ砗?jiǎn)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(shí)驗(yàn)中為了利用 ID-VD特性曲線的零點(diǎn)斜率來(lái)計(jì)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(duì)原子質(zhì)量,k為玻耳茲曼常量,e為單位電荷.

3 實(shí)驗(yàn)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(lì)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(jì)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(zhǎng)400 mm的石英管作為放電管,開動(dòng)真空泵并調(diào)節(jié)氣瓶與放電管之間的氣閥來(lái)調(diào)節(jié)放電管內(nèi)氣壓.實(shí)驗(yàn)中由于氣壓較低,氣流對(duì)放電管放電影響可以忽略.

圖2 雙探針診斷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(cè)量放電管放電電壓,毫安電流表測(cè)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(cè)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(guò)滑動(dòng)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(duì)被測(cè)等離子體區(qū)的擾動(dòng),探針采用長(zhǎng)1.5 cm、直徑為0.1 mm的細(xì)鎢絲與長(zhǎng)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(xì)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(lì)系統(tǒng)由調(diào)壓器、變壓器和直流整流橋組成.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析

4.1 雙探針的伏安特性曲線

圖3為當(dāng)氣壓為550 Pa,放電功率為6.91 W時(shí)雙探針?lè)蔡匦郧€的實(shí)驗(yàn)曲線和理論曲線對(duì)照?qǐng)D.根據(jù)理論推導(dǎo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)逐點(diǎn)描繪出實(shí)驗(yàn)中的雙探針?lè)蔡匦郧€,與理論曲線進(jìn)行對(duì)比.

圖3 雙探針?lè)蔡匦詫?shí)驗(yàn)曲線與理論曲線對(duì)照

由圖3可以看出,實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線有所偏差,不是呈現(xiàn)出正負(fù)兩方向?qū)ΨQ的形式,這主要是由于對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,探針特性曲線正負(fù)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(fù)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(dāng)VD=0時(shí)仍有電流經(jīng)過(guò)兩探針,致使探針?lè)蔡匦郧€不經(jīng)過(guò)原點(diǎn).理論曲線VD=0處的斜率為19.77,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取VD=0前后兩點(diǎn),計(jì)算其擬合直線的斜率為18.57,實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(diǎn)斜率,通過(guò)(5)式計(jì)算得等離子體電子溫度為1.92 eV.計(jì)算電子密度時(shí),考慮到探針邊緣效應(yīng)對(duì)計(jì)算的影響,對(duì)探針有效截面面積進(jìn)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(duì)測(cè)量的影響

實(shí)驗(yàn)分別用直徑為0.1 mm和0.6 mm的探針,對(duì)在相同放電狀態(tài)下放電管中的等離子體進(jìn)行了測(cè)量,繪制出2個(gè)直徑的探針?biāo)鶞y(cè)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(jìn)入飽和電流區(qū)時(shí)的拐點(diǎn)比較明顯,而0.6 mm探針的特性曲線進(jìn)入飽和電流區(qū)時(shí)拐點(diǎn)不清晰,很難判斷出從哪點(diǎn)開始進(jìn)入飽和電流區(qū).這就對(duì)曲線的求解帶來(lái)了不便,增加了求解曲線的誤差.為此本次實(shí)驗(yàn)采用直徑為0.1 mm的探針進(jìn)行測(cè)量,這樣不僅減小了讀取曲線數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的誤差,也減小了探針對(duì)所測(cè)等離子體區(qū)域的擾動(dòng)給測(cè)量帶來(lái)的影響.

圖4 不同直徑探針?lè)蔡匦郧€對(duì)照

4.3 放電功率對(duì)電子溫度和電子密度的影響

在氣壓為550 Pa,分別對(duì)不同放電功率的放電狀態(tài)下等離子體進(jìn)行了診斷,圖5為不同放電功率下探針?lè)蔡匦郧€對(duì)照?qǐng)D.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(huì)有更多電子從原子中被激發(fā)出來(lái),電子數(shù)目增加,即電子密度增大,使等離子體的電導(dǎo)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?yàn)榕鲎差l率的增加,電子的能量消耗也比較快,從而導(dǎo)致電子溫度有所下降.但是當(dāng)功率增加到一定值時(shí),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?lè)蔡匦郧€對(duì)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(duì)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(shí),電子密度隨氣壓的增加而增加,當(dāng)氣壓增加到一定值時(shí)電子密度隨著氣壓增加下降很快.這是因?yàn)?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(guò)程中電子不斷消耗能量,導(dǎo)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(lái),進(jìn)而電子密度增加;當(dāng)氣壓比較高時(shí)(＞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?lè)ㄅc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?lè)ㄅc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(shì)是一致的,并且電子密度數(shù)量級(jí)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(biāo)準(zhǔn),光纖光譜法各結(jié)果的相對(duì)偏差都小于20%.

表1 不同放電功率探針?lè)ㄅc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?lè)ㄅc光纖光譜法電子密度診斷結(jié)果比較

5 結(jié)束語(yǔ)

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

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