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利用发射探针测量预鞘区等离子体空间电位

利用发射探针测量预鞘区等离子体空间电位. 马锦秀，李毅人，肖德龙，郑尧邦，王道泳，张文贵 中国科学技术大学近代物理系 国家自然科学基金资助课题 ( 批准号： 10475075). 一、鞘层和预鞘研究背景. 理论研究较多 实验诊断甚少： 早期用电子束偏转 — 精度很低 激光诱导荧光 — 信噪比较低 发射探针 — 比较稳定，效果较好 利用尘埃颗粒悬浮 — 只是设想. L. Oksuz and N. Hershkowitz (2002) ： 首次利用发射探针诊断鞘和预鞘结构. 等离子体空间电位的常用测量方法： 单探针： I-V 特性曲线，拐点

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  1. 利用发射探针测量预鞘区等离子体空间电位 马锦秀，李毅人，肖德龙，郑尧邦，王道泳，张文贵 中国科学技术大学近代物理系 国家自然科学基金资助课题(批准号：10475075)

  2. 一、鞘层和预鞘研究背景 • 理论研究较多 • 实验诊断甚少： 早期用电子束偏转 — 精度很低 • 激光诱导荧光 — 信噪比较低 • 发射探针 — 比较稳定，效果较好 • 利用尘埃颗粒悬浮 — 只是设想 L. Oksuz and N. Hershkowitz (2002)： 首次利用发射探针诊断鞘和预鞘结构

  3. 等离子体空间电位的常用测量方法： • 单探针： I-V特性曲线，拐点 悬浮电位法： 精确度都不高，在鞘区、预鞘区更不能适用 • 发射探针 I-V特性曲线拐点 — 比较常用 强发射情况下的悬浮电位 — 接近空间电位

  4. 二、实验方案 双等离子体装置结构示意图 Te＝1.4 eV，ne＝3×108 cm-3

  5. 发射探针头照片 发射探针结构示意图。加热电流0.21A。 1: 用于电子收集和发射的长约8.5mm 直径0.025mm的钨丝. 2: 直径0.17mm缠绕在钨丝上并且作为引线引出的铜丝. 3: 直径0:33的毛细玻璃管. 4: 直径0:8的玻璃管. 5: 用来固定的玻璃管.

  6. 三、实验结果 不同加热电流下的发射探针伏安特性曲线。当灯丝开始发射电子后，发射电子流在等离子体电位附近变化非常剧烈。

  7. 发射探针拐点法确定等离子体空间电位 V<=VP V>=VP

  8. 小栅网悬浮时，发射探针和柱探针测得的等离子体空间电位结果的对比。小栅网悬浮时，发射探针和柱探针测得的等离子体空间电位结果的对比。 显然发射探针的结果更能反映预鞘和鞘层区的电位分布。

  9. 小栅网不同偏压下、其两侧等离子体空间电位的分布小栅网不同偏压下、其两侧等离子体空间电位的分布

  10. 放大后的电位的分布

  11. 根据Bohm判据，鞘和预鞘界面的电位为： e (Vs-Vp)=-0.5Te 从而确定界面的x坐标，获得鞘厚 鞘层厚度 的估算：

  12. 等离子体空间电位随栅网偏压的变化 负偏压： Vp变化很小 正偏压： Vp增大

  13. 鞘层厚度随栅网偏压的变化 Child-Langmuir鞘： 德拜长度约为0.54mm

  14. 四、总结 • 发射探针的测量结果可以较好地反映预鞘 区甚至鞘层内的结构。 • 栅网正偏压下附近的等离子体电位被抬高。负偏压下基本不变。 • 栅网正偏压下鞘层很薄，厚度无法准确确定。负偏压下可得鞘厚，变化趋势与Child-Langmuir鞘定性一致，定量有较大差别。

  15. 谢谢！

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