中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）等离子体诊断技术（PPT）

近代物理实验 ®等离子体特性研究

近代物理实验 等离子体特性研究

【实验目的】 1.了解气体放电中等离子体的特性。 2.利用等离子体诊断技术测定等离子体的主要基本参量。 【实验器材】 实验器材包括等离子体物理实验组合仪，接线板，等离子体放 电管。放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成，管内充汞或氩。霍 尔效应法测量时需外加一对亥姆霍兹线圈。 实验参数为：探针面积S=πD2/4 D=0.45mm;探针轴向间距：30mm;放电管内径：6mm;平 行板面积：4×7mm2;平行板间距：d=4mm;亥姆霍兹线圈直 径：200mm;亥姆霍兹线圈间距：100mm;亥姆霍兹线圈匝数： 400匝（单只）

【实验目的】 1．了解气体放电中等离子体的特性。 2．利用等离子体诊断技术测定等离子体的主要基本参量。 【实验器材】 实验器材包括等离子体物理实验组合仪，接线板，等离子体放 电管。放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成，管内充汞或氩。霍 尔效应法测量时需外加一对亥姆霍兹线圈。 实验参数为：探针面积 2 S D =  / 4 D=0.45mm；探针轴向间距：30mm；放电管内径：6mm；平 行板面积：4×7mm2；平行板间距：d=4mm；亥姆霍兹线圈直 径：200mm；亥姆霍兹线圈间距：100mm；亥姆霍兹线圈匝数： 400匝（单只）

等离子体诊断技术-~-静电探 针测量与霍尔效应测量 1、等离子体诊断概述 1.1目的及其在科学中发展的意义 1.2需要诊断的内容（等离子体参数) 1.3常用的等离子体诊断手段和种类 1.4实验的可靠性和误差 1.5干扰与噪声及其消除办法 1.6分辨率

等离子体诊断技术-静电探 针测量与霍尔效应测量 1、等离子体诊断概述 1.1目的及其在科学中发展的意义 1.2需要诊断的内容（等离子体参数） 1.3常用的等离子体诊断手段和种类 1.4实验的可靠性和误差 1.5干扰与噪声及其消除办法 1.6分辨率

2、静电探针诊断技术 2.1探针的结构 2.2单探针的工作原理 2.3双探针的工作原理

2、静电探针诊断技术 2.1探针的结构 2.2单探针的工作原理 2.3双探针的工作原理

。1.1目的及其在科学中发展中的地位 等离子体诊断诊断：对等离子体性质和状态以及各 种28参量（即表征等离子体性质和状态的物理量的 测量 是等离子体实验研究和等离子体各项应用需要首先 解决的一个问题。 等离子体诊断技术是等离子体科学和技术的重要部 分，是与等离子体科学相伴随，相互促进而同时发 展起来的一个特殊学科和科学领域

 1.1目的及其在科学中发展中的地位 等离子体诊断诊断：对等离子体性质和状态以及各 种28参量（即表征等离子体性质和状态的物理量的 测量 是等离子体实验研究和等离子体各项应用需要首先 解决的一个问题。 等离子体诊断技术是等离子体科学和技术的重要部 分，是与等离子体科学相伴随，相互促进而同时发 展起来的一个特殊学科和科学领域

。1.2需要诊断的内容（等离子参数) 随着等离子体科学和技术及其应用的发展，在低温 等离子体中需要诊断的等离子体参量主要包括： 等离子体中电子温度及其时空分布T(,) 等离子体中电子密度及其时空分布N(,) 等离子体中离子温度及其时空分布T,口，) 等离子体中离子密度及其时空分布W,(,) 等离子体中中性原子及其时空分布W,) 等离子体中反应物及其中间产物的种类、密度及 时空分布Wk,t) 等离子体中杂质原子、离子种类密度及其时空分布

 1.2需要诊断的内容（等离子参数） 随着等离子体科学和技术及其应用的发展，在低温 等离子体中需要诊断的等离子体参量主要包括： 等离子体中电子温度及其时空分布 等离子体中电子密度及其时空分布 等离子体中离子温度及其时空分布 等离子体中离子密度及其时空分布 等离子体中中性原子及其时空分布 等离子体中反应物及其中间产物的种类、密度及 时空分布 等离子体中杂质原子、离子种类密度及其时空分布 (r t ) T e ,(r t ) N e , (r t ) T i , (r t ) N i , (r t ) N o , (r t ) N R

。1.3常用的等离子体诊断手段和种类 适用于低温等离子体的诊断手段 诊断手段 可测等离子体参数 利用等离子 X射线 电子温度、电子密度、离子密度、 体发射的光 等离子不稳定性 波（光谱） 真空紫外光谱 电子温度、电子密度、离子温度、 进行诊断 离子密度、中性粒子密度 紫外可见光谱 电子温度、电子密度、离子温度 离子密度、中性粒子密度 利用激光或 激光散射 电子温度 电磁波与等 远红外激光干 电子密度 离子体相互 涉 作用进行等 离子体诊断 微波干涉 电子温度、电子密度 激光荧光光谱 原子密度、离子密度 探针测量 静电探针测量 电子温度、电子密度、离子温度、 (郎缪探针测 离子密度、等离子体空间电位 量) 粒子测量 质谱 粒子种类和密度

 1.3常用的等离子体诊断手段和种类 适用于低温等离子体的诊断手段 诊断手段 可测等离子体参数 利用等离子 体发射的光 波（光谱） 进行诊断 X射线 电子温度、电子密度、离子密度、 等离子不稳定性 真空紫外光谱 电子温度、电子密度、离子温度、 离子密度、中性粒子密度 紫外可见光谱 电子温度、电子密度、离子温度、 离子密度、中性粒子密度 利用激光或 电磁波与等 离子体相互 作用进行等 离子体诊断 激光散射 电子温度 远红外激光干 涉 电子密度 微波干涉 电子温度、电子密度 激光荧光光谱 原子密度、离子密度 探针测量 静电探针测量 （郎缪探针测 量） 电子温度、电子密度、离子温度、 离子密度、等离子体空间电位 粒子测量 质谱 粒子种类和密度

。1.4实验的可靠性和误差 偶然误差是各种已知条件保持恒定的情况 下，由于各种不可控因素使测量结果表现 偶然误差 出来的差异。误差来源：测量本身的起伏 和过程中的起伏。统计特性是精密测量误 误差 差的极限。多次测量来减小偶然误差。 系统误差是由于测量过程中某些确定的因素 系统误差 使得测量结果和被测量量之间产生偏差。例 如：光电管测量入射光强时存在的暗电流本 底；计数粒子束时，由于探头失效时间而使 计数损失等。 通常偶然误差 已知条件保持恒定变不变时，由于人为 原因造成的读书误差。 偶然误差 随机偶然误差 是等离子体特有的一种误差

 1.4实验的可靠性和误差 误差 系统误差 偶然误差 偶然误差是各种已知条件保持恒定的情况 下，由于各种不可控因素使测量结果表现 出来的差异。误差来源：测量本身的起伏 和过程中的起伏。统计特性是精密测量误 差的极限。多次测量来减小偶然误差。 系统误差是由于测量过程中某些确定的因素 使得测量结果和被测量量之间产生偏差。例 如：光电管测量入射光强时存在的暗电流本 底；计数粒子束时，由于探头失效时间而使 计数损失等。 偶然误差 通常偶然误差 随机偶然误差 已知条件保持恒定变不变时，由于人为 原因造成的读书误差。 是等离子体特有的一种误差

1.5千扰与噪声及其消除方法 干扰：由于外部因素引起的测量对象或测量结果的扰动和 偏差。 噪声：内在因素引起的统计性涨落。 干扰与噪声的来源 干扰来源：空间电磁波、电源的噪声和试验系统本身的 电磁干扰。由于很多等离子体系统是由各种放电产生的，所 以放电对诊断的干扰时不可避免的。 例如：磁探针对磁场的干扰；高温等离子体本身会辐射电磁 波，从无线电波到x射线都有，还有逃逸粒子 消除干扰的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、静磁屏蔽

干扰：由于外部因素引起的测量对象或测量结果的扰动和 偏差。 噪声：内在因素引起的统计性涨落。 干扰与噪声的来源 干扰来源：空间电磁波、电源的噪声和试验系统本身的 电磁干扰。由于很多等离子体系统是由各种放电产生的，所 以放电对诊断的干扰时不可避免的。 例如：磁探针对磁场的干扰；高温等离子体本身会辐射电磁 波，从无线电波到x射线都有，还有逃逸粒子 1.5干扰与噪声及其消除方法 消除干扰的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、静磁屏蔽

1.6分辨率 在等离子体诊断中，分辨率是一个表示测量 精确程度的物理量，包括被测物理量大小的 分辨率和时间空间分辨率。 被测物理量大小的分辨率：指的是被测数据相差多大程度， 才能通过测量手段区别或鉴别出来。 时间空间分辨率：指的是所测物理量大小随时间和空间 变化的最小尺度

1.6分辨率 在等离子体诊断中，分辨率是一个表示测量 精确程度的物理量，包括被测物理量大小的 分辨率和时间空间分辨率。 被测物理量大小的分辨率：指的是被测数据相差多大程度， 才能通过测量手段区别或鉴别出来。 时间空间分辨率：指的是所测物理量大小随时间和空间 变化的最小尺度