等離子體綜述

1、等離子體概述摘要詳細描述了等離子體、平均自由程和德拜長度等概念。本文主要分析了各種朗繆爾探針的優(yōu)缺點以及評價探針結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的理論依據(jù)，最終得出優(yōu)化的探針結(jié)構(gòu)。一.導(dǎo)言1.血漿“等離子體”的原始含義是電離氣體的正電荷和負電荷大致相等，它們作為一個整體是電中性的。它是通過氣態(tài)連續(xù)加熱獲得的狀態(tài)。眾所周知，物質(zhì)的溫度實際上是用來描述其內(nèi)部粒子運動的強度。當氣體溫度很高時，氣體分子的熱運動會加劇，它們之間的碰撞會引起氣體分子的電離。這樣，物質(zhì)就變成了由電子和正離子組成的混合物，它們相互作用并自由運動。物質(zhì)的這種存在狀態(tài)被稱為物質(zhì)的第四種狀態(tài)，即等離子體狀態(tài)。并非等離子體中的所有原子都將被電離：該過程中使

2、用的冷等離子體只有1-10%被電離，其余氣體保持中性原子或分子。在更高的溫度下，例如熱核研究，等離子體完全電離。一般來說，粒子流處于熱平衡，這意味著原子或分子具有麥克斯韋速度分布fv=Ae-(12mv2KT)(1)a是標準因子，k是玻爾茲曼常數(shù)。t是溫度，它決定了分布寬度。在等離子體中，離子、電子和中性粒子有它們自己的溫度：鈦、碲和總氮。三種粒子可以相互穿透，但它們不能充分碰撞以保持三種粒子的等溫。這是因為相對于大氣壓下的氣體，等離子體密度非常低。然而，每一個粒子都可以與其自身充分碰撞，從而獲得麥克斯韋分布。麥克斯韋分布是由氣體分子的頻繁碰撞引起的？非常熱的等離子體可能不是麥克斯韋分布，這需要

3、“動力學(xué)理論”的解釋。為了方便起見，電子電壓通常用來表示溫度。典型的低溫等離子體電子溫度為110eV，1 ev=11，600 k。等離子體通常被認為是非常難以理解的，這是相對于流體力學(xué)或電磁學(xué)而言的。等離子體作為帶電粒子流，不僅受到粒子的沖擊，還受到電場或磁場的長程作用力的影響。另一個原因是大多數(shù)等離子體太薄太熱，不能被視為連續(xù)的流體。典型的低溫等離子體密度值為108-1012cm-3。2.德拜長度和鞘等離子體是帶電粒子流，它以一種復(fù)雜的方式滿足麥克斯韋方程。等離子體中的電場和磁場控制著帶電粒子的軌道。同時，帶電粒子的運動可以形成電荷群，電荷群產(chǎn)生電場或電流，然后產(chǎn)生磁場。D=E=e(ni-n

4、e)(2)一般來說，0可以直接用來代替對于靜電場，有E=-五世(3)代入上述公式是，2V=(0)(ne-ni)(4)這個公式定義v在一個范圍內(nèi)變化。為了更清楚，我們用1/L2代替2，L是V的變化范圍的長度。這樣，電場中電子的勢能和熱能的比值就得到了eVKTe=L2(ne-ni)e2k te(5)右邊的長度范圍稱為德拜長度，定義為D=0kt ene 212(6)代入D，等式(5)變?yōu)镈2(1-9)(7)公式的左側(cè)不大可能比1大得多，因為當大電勢進入等離子體時，例如燈絲連接到電池，燈絲周圍將立即形成電荷云，以防止外部電勢的干擾。通過代入0和1的值，得到方程(5)D=7.4Te(eV)ne(1018

5、m-3)微米(8)等離子體行為的基本特征之一是其屏蔽作用于其上的電勢的能力。德拜長度是描述等離子體的一個重要空間尺度，即德拜屏蔽距離。在大塊等離子體中，V將在一定距離內(nèi)變化，這取決于等離子體的大小。如果我們把L作為10厘米的數(shù)量級，這個尺寸是實驗室等離子體的平均尺寸，而(L/D)2是108的數(shù)量級，所以，為了使公式的左邊合理地小，ni必須大致等于ne。然而，有一個區(qū)域叫做鞘，其中l(wèi)的數(shù)量級為D；這里，ne/ni不必接近1。當ni等于ne時，稱為準中性，這可能是等離子體最重要的特征。帶電粒子總是可以通過移動來屏蔽電勢，從而保持正負粒子的密度相等(假設(shè)離子帶有電荷)。l約為物體周圍的德拜長度量級，

6、如靠近腔壁或插入等離子體的探針，準中性被破壞。腔壁的電勢相對于等離子體是負的，這是由于電子的平均熱運動速度遠遠大于離子的平均運動速度。撞擊金屬絲表面的電子數(shù)遠遠大于離子數(shù)，離子會積累一定量的負電荷，產(chǎn)生明顯的懸浮負電位。3.血漿頻率和Bohm的測定在等離子體中，有電磁波和兩種聲波(對應(yīng)正負電荷，如果等離子體是部分電離的，中性氣體也可以有自己的波)。電子流中的聲波稱為等離子體波或等離子體振蕩，它具有很高的特征頻率，通常達到微波范圍。一般情況是，一個大的電子波偏離正常位置，留下離子在原來的位置(離子太慢，整個過程可以被認為是靜態(tài)的)，然后離子拉電子回來，等等。振蕩頻率p (ne20m)12 rad

7、/sec(9)頻率標準化包括fp=9n(1012cm-3)GHz(10)這被稱為等離子體頻率，它只取決于等離子體密度。離子流的聲波行為是不同的，其特征是速度。由于電子具有熱動能，隨機熱運動使得屏蔽效應(yīng)不完全，從而導(dǎo)致少量電場從德拜云泄漏。離子聲速cs (KTem)12(11)m是離子質(zhì)量，Cs取決于碲而不是鈦(在空氣中，它取決于鈦)，因為屏蔽能力取決于碲。事實上，與鈦有一個小的線性相關(guān)性，但是在部分電離的等離子體中，角速度cc=qBm(12)fc=c22.8MHz/G(13)假設(shè)腔壁的位置為x=0，等離子體在x0范圍內(nèi)。我們想象在x=s的位置有一個這樣的面，叫做鞘邊?？紤]到前面提到的德拜屏蔽，

8、為了滿足準中性nine的要求，我們假設(shè)s在鞘層(xs)外的數(shù)量級為D(實際上，它更可能是D的5倍)。假設(shè)等離子體在這個平面上的電勢是V=0。在鞘層中，電荷是不平衡的，為了排斥電子，電勢必須是負的。從公式(4)可以看出，ni必須大于ne。如果電子服從麥克斯韋分布，ne/ns=exp(eV/KTe)(14)Ns是鞘邊緣的密度。離子被鞘層電場加速，不會被反射回來，所以離子電流仍然是恒定的。離子以有限的速度進入鞘層，這由連續(xù)性方程決定nivi=nsvs(15)能量守恒公式12 mvi 2 eV=12 mvi 2(16)組合式(15)和式(16)如下nins=(11-2eV/Mvs2)12(17)即使對

9、于非常小的|V|，鞘條件9也必須保持。我們將公式(14)和(17)推廣到泰勒級數(shù)nens=1 eVKTe ，nins=1 eVMvs2 (18)因為v是負的，所以九是eVMvs2(KTeM)12=Cs(20)這是博姆的鞘判斷公式，它表明離子必須以至少等于聲速的速率進入鞘。為了回答“離子是如何達到這個速度的，但是這個速度遠遠大于熱能？”因此，在主等離子體中必須有一個加速電場，它加速離子，至少直到能量到達鞘層邊緣的12KTe。這種區(qū)域稱為前鞘，前鞘的電場非常弱，不會破壞準中性。由于預(yù)鞘層的存在，鞘層邊緣的密度ns不能與主等離子體的密度ns相同。因為離子在鞘層邊緣的速率為銫，其能量為12KTe，所以

10、在主等離子體和鞘層邊緣之間必須有至少12KTe的電壓降。假設(shè)主等離子體中的V=0，鞘邊緣的V=Vsns=n0e-12=0.6n012n04.伏安曲線部分Vs是等離子體電勢(空間電勢)，施加到探針的電勢是Vp。如果腔壁是金屬且接地的，電壓通常約為5KTe。當VPVs時，收集電子電流Ie；探針為負電流。當VpVs和Ie生長緩慢時，收集面積隨著鞘層厚度的增加而增加，曲線的形狀由探針的形狀決定。也許我們會嘗試測量Ies來得到電子密度，但是這只能在低密度和低壓的條件下進行，因為在這種情況下平均自由程非常長。否則，探針收集的電流太大，會影響等離子體的平衡。因此，最好通過收集離子來測量氮，因為等離子體是電中

11、性的。更重要的是，每次收集到的飽和電子電流超過幾毫秒，探針就可能被損壞。然而，這種理想的情況在實踐中很少發(fā)現(xiàn)。碰撞和磁場的影響會降低Ies的振幅，模糊拐點，使Vs難以判斷。特別地，強磁場將使電子拉莫爾半徑小于探針半徑，這將把飽和電子電流限制在飽和離子電流的10-20倍(因為探針阻擋磁場線，更多的電子需要穿過磁場被吸收)。此時，拐點僅代表勢壘區(qū)的空間勢，而不是等離子體的空間勢。在這種情況下，伏安曲線的指數(shù)部分只在浮動電位以上幾千電子伏的范圍內(nèi)，所以樣品只是麥克斯韋分布的尾電子。碰撞也限制了Ies。在高電壓的限制下，電子必須從中性氣體擴散到鞘層邊緣，因此電流受到擴散率的限制。在射頻等離子體中，Vs

12、-Vp隨射頻頻率波動，電子的聚集取決于電子進入鞘層的相位和速率。4.3浮動電位浮動電勢Vf由II=Ie定義，如果電子符合麥克斯韋分布，Ie由公式(21)和(22)給出?？梢杂脦追N離子收集理論計算，但為了獲得浮勢，離子電流可以用玻姆電流估算。IB=小行星，cs=(KTe/M)1/2，0.5，(23)m為離子質(zhì)量，電流由預(yù)鞘層中的電場引起，將離子加速至cs，最小值需滿足構(gòu)建鞘層的要求。結(jié)合公式(21)、(22)和(23)，我們可以得到Vf=Vs-(KTe/2e)ln(2M/m) (24)Vf-VS在氫等離子體中約為-3.5電子伏特，在氬等離子體中約為-5.4電子伏特。如果有快速的初級電子或未補償?shù)?/p>

13、射頻磁場，Vf將更負。嚴格地說，公式(24)只適用于平面探頭。對于圓柱形探頭，根據(jù)探頭半徑與德拜長度之比p，有一個修正系數(shù)將該值從-5.4Tev減小到-4-5Tev。Vf(x)函數(shù)如圖5所示，hf=eVf/KTe。曲線擬合是1(f)6=1(Alnp B)6 1(Clnp D)6 (25)甲=0.583，乙=3.732，丙=-0.027，丁=5.431圖5Vf隨著p、有效Bohm系數(shù)和歸一化值0=0.61的顯示的減小而減小4.4空間潛力獲得空間勢(等離子體勢)的一種長期方法是畫兩條直線，分別通過躍遷區(qū)和電子飽和區(qū)，交點為Vs和Ies。如果飽和電子區(qū)是曲線，這種方法不好。在這種情況下，可以采用兩種

14、方法。首先是測量Vf，然后通過公式(5)計算Vs。第二種方法是找到Ie開始停止指數(shù)增長的點，即當Ie(v)最大或Ie(v)等于零時。如果Ie(v)有一個明顯的最大值，就可以很容易地得到Vs的合理值。如圖所示圖6伏安曲線的微分在Vs處有明顯的最大值有兩個原因?qū)е麓藭r的電流值不能作為計算ne的飽和電流值Ies。第一個原因是拐點可能出現(xiàn)在Vs之前，如圖7所示。在圖7中，左邊沒有磁場，右邊沒有快電子第二個原因是，根據(jù)公式(21)，Ies指數(shù)取決于Vs，Vs的小偏差將導(dǎo)致n的大偏差。唯一的方法是使用熱的發(fā)射探針，例如VF vs的探針D5離子飽和電流用電子飽和電流測量氮是不準確的，在高密度等離子體中收集飽和電流對探針也是危險的。由于輸出阻抗較低，飽和離子電流更小，更容易處理。不幸的是，飽和離子電流Isat的解釋需要特殊的計