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定等離子體特性的技術，本文對探針法等離子體探測的原理進行了理論分析，包括靜電探針、磁探針和電導率探針技術，并對每種方法的優(yōu)缺點進行了討論。本討論對等離子體光譜診斷具有一定參考意義和價值。

關鍵詞：等離子體診斷；靜電探針；磁探針；電導率探針

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，因此其電導率相對較大，等離子體主要靠它受到電磁力的作用來控制其運動狀態(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定等離子體特性的技術。根據(jù)不同的情況會有不同的診斷方法。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，這個方法就是把一個探針放入被診斷的等離子體內(nèi)，通過實體探針探測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

實驗中，在探針和補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被靜電探針所吸引，在帶電粒子的作用下形成電流。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系，即伏安特性曲線。等離子體特性曲線可以分為三個部分，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)中負電電子和正電離子都可以被探針所收集，由于正電離子和負電電子的同向運動會產(chǎn)生反向的電流，在某一時刻，兩個方向的電流相等，于是探針的總電流是0，這時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“負探針特性”。

當空間電位與探針的電位相等時，帶電離子在自身熱運動的作用下到達探針表面，探針表面存在不相上下的正負兩種電荷，由于探針表面電荷的正負沒有規(guī)律，所以探針收集的電荷極性也沒有規(guī)律，粒子運動產(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)。當探針的電位比空間電位高時，絕大部分正電離子都在探針表面電荷的作用下被排斥，探針幾乎只探測到電子運動產(chǎn)生的電流。

以上對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

磁探針就是一個線圈，在等離子體診斷中把一個線圈放入等離子體中當做探針，等離子體中的磁場是變化的磁場，線圈在磁場中會隨著磁通量Φ的變化而產(chǎn)生電動勢ε，利用這個感生電動勢就能推出當前探針的位置上的磁感應強度與時間的關系。

當前探針位置上的磁感應強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出其他方向上的磁場的分量，根據(jù)多次改變線圈方向得到的多個磁場分量與方向的關系就能推出描述等離子體特性的參數(shù)的分布情況。

磁探針的結構簡單操作方便，測量位置靈活，故在等離子體特性的診斷研究中，磁探針有廣泛的應用，磁探針的引入也使得磁場對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磁通量的變化而產(chǎn)生感生電動勢，但這樣產(chǎn)生的感生電動勢一般比較微弱，故大大影響了輸出信號的可讀性，所以要提高實驗的準確度，我們要做一些靜電屏蔽的工作。

（三） 電導率探針

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

射頻電導率探針只有一個線圈，這一個線圈既是磁場線圈，又可以是探測線圈，射頻電導率探針的這個線圈連接一個振蕩器，這個振蕩器可以產(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出渦流，線圈的阻抗又在渦流的影響下改變。通過測得的數(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率。

三、 結論

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

參考文獻：

[1]王利娟.等離子體概念、分類及基本特性[J].宜賓學院學報，2009.06，41-43.

[2]楊幼桐，杜凱，張菲，宋國利，萬鵬程，劉艷春.等離子體的診斷方法[J].哈爾濱學院學報，2005，10，132-135.

作者簡介：

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