【摘要】：現(xiàn)有的靜電探針理論無法實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的定量準(zhǔn)確性測(cè)量,其主要原因是等離子體鞘層結(jié)構(gòu)尚不完全清楚。現(xiàn)有的等離子體理論以及鞘層理論在描述鞘層邊界附近區(qū)域方面都具有一定的局限性:等離子體和鞘層在邊界處的電場(chǎng)強(qiáng)度不連續(xù)。為了解決等離子體與鞘層在邊界處電場(chǎng)不連續(xù)的問題,部分學(xué)者提出在等離子體和鞘層之間引入過渡區(qū)來平滑地連接二者,而其他學(xué)者則認(rèn)為鞘層與等離子體的邊界電場(chǎng)應(yīng)該定義為TeD。鞘層邊界問題至今懸而未決的主要原因就是準(zhǔn)確的鞘層診斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足。為此,本文考慮從等離子體鞘層結(jié)構(gòu)的發(fā)射探針診斷入手展開研究,為解決鞘層結(jié)構(gòu)問題并進(jìn)一步解決靜電探針診斷的定量準(zhǔn)確性問題建立基礎(chǔ)。診斷鞘層結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)在于鞘層邊界附近區(qū)域電勢(shì)分布的準(zhǔn)確測(cè)量,因?yàn)檫@一區(qū)域的電勢(shì)變化通常很小(～1 V),因此所采用的電勢(shì)測(cè)量技術(shù)需要擁有很高的測(cè)量精度(～0.1 V),而現(xiàn)有的發(fā)射探針診斷技術(shù)均不能達(dá)到這樣的測(cè)量精度。為此,本文首先對(duì)空間電勢(shì)的發(fā)射探針診斷技術(shù)進(jìn)行研究,提出了一種改進(jìn)的發(fā)射探針零發(fā)射極限拐點(diǎn)電勢(shì)法,即通過線性外推發(fā)射探針I(yè)-V特性曲線的拐點(diǎn)電勢(shì)(Vip)與探針加熱電流(Iht)的曲線至電子發(fā)射電流(Iemis,)為零處,所獲得的電勢(shì)即為準(zhǔn)確的等離子體空間電位。雙極板空間軸線的真空電勢(shì)分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)顯示該方法對(duì)于空間電勢(shì)的測(cè)量精度能夠達(dá)到0.1 V,為準(zhǔn)確測(cè)量鞘層電勢(shì)分布提供了保證。由于改進(jìn)的零發(fā)射極限拐點(diǎn)電勢(shì)法自身繁瑣的操作步驟,手動(dòng)執(zhí)行該方法進(jìn)行等離子體鞘層電勢(shì)分布測(cè)量,往往會(huì)因?yàn)楣ぷ髁看蟆y(cè)量時(shí)間久而難以實(shí)現(xiàn)。因此,基于改進(jìn)的零發(fā)射極限拐點(diǎn)電勢(shì)法,本文自主研發(fā)了自動(dòng)發(fā)射探針診斷裝置。該裝置能夠自動(dòng)給發(fā)射探針施加和調(diào)節(jié)加熱電流和探針偏壓,自動(dòng)獲取并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),快速給出測(cè)量結(jié)果,顯著提高了利用發(fā)射探針測(cè)量空間電勢(shì)的工作效率。利用自動(dòng)發(fā)射探針診斷裝置進(jìn)行負(fù)陰極鞘層電勢(shì)分布測(cè)量,結(jié)合相關(guān)的理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,結(jié)果表明:鞘層與預(yù)鞘層之間存在一個(gè)過渡區(qū)域,鞘層中的電勢(shì)分布滿足Child定律鞘層電勢(shì)分布表達(dá)式,預(yù)鞘層中的電勢(shì)分布滿足相應(yīng)的預(yù)鞘層電勢(shì)分布表達(dá)式,過渡區(qū)與預(yù)鞘層邊界處的電場(chǎng)強(qiáng)度滿足過渡區(qū)鞘層理論的鞘層邊界條件,證實(shí)了鞘層過渡區(qū)理論關(guān)于鞘層邊界電場(chǎng)的正確性。此外,本文利用發(fā)射探針對(duì)較高氣壓環(huán)境中的空間電勢(shì)測(cè)量進(jìn)行探索。較高氣壓環(huán)境中的真空電勢(shì)測(cè)量以及微波ECR氬氣等離子體空間電位測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明:改進(jìn)的零發(fā)射極限拐點(diǎn)電勢(shì)法能夠可靠測(cè)量氣壓低于350 Pa的空間電勢(shì)。在高于350 Pa的環(huán)境中,由于真空室中氧含量較多,鎢絲發(fā)射探針極易燒斷,從而無法完成有效的空間電勢(shì)測(cè)量。發(fā)射探針的較高氣壓空間電勢(shì)可靠測(cè)量實(shí)驗(yàn)為今后的碰撞鞘層結(jié)構(gòu)研究建立了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O53
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｐｒｏｂｅ邋ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ逡逑為了測(cè)量沒有接地電極的等離子體，１９５０年，Ｊｏｈｎｓｏｎ和Ｍａｌｔｅｒ提出了雙探針診斷逡逑技術(shù)［２７］。如圖１．３所示，雙探針由兩個(gè)Ｌａｎｇｍｕｉｒ■單探針組成，在測(cè)量等離子體時(shí)，通過逡逑外加電源使兩個(gè)探針之間存在一定的電勢(shì)差Ｒ探針回路中對(duì)應(yīng)的電流為／。當(dāng)兩個(gè)兩逡逑個(gè)探針之間的電勢(shì)差Ｆ較大時(shí)，探針２基本上收集離子飽和電流，探針１則收集凈電子逡逑電流。由于雙探針系統(tǒng)在測(cè)量過程中始終處于懸浮狀態(tài)（整個(gè)系統(tǒng)流向等離子體的凈電逡逑－４－逡逑

探針診斷方法，并成功獲得了類金剛石（ＤＬＣ）薄膜沉積環(huán)境的等離子體電子溫度和離逡逑子密度。逡逑圖１．６展示了諧波探針診斷示意圖。如圖所示，與Ｌａｎｇｍｕｉｒ單探針相比，諧波探針逡逑電路系統(tǒng)給探針施加的是正弦交流信號(hào)，并在電路中添加一個(gè)１００壚的隔直電容［３２］。逡逑基于探針周圍鞘層的非線性特性，流經(jīng)探針的電流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生諧波成分。利用快速逡逑－７－逡逑

Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ逡逑Ｐｌａｓｍａ逡逑圖１．５三探針診斷示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｒｉｐｌｅ邋ｐｒｏｂｅ邋ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ逡逑２）三探針優(yōu)缺點(diǎn)逡逑三探針系統(tǒng)既能減小電子收集電流對(duì)等離子體的干擾，又能直接測(cè)得電子溫度、電逡逑子密度等參數(shù)［２５，３（），３１］。此外，由于三探針診斷技術(shù)不需要對(duì)探針進(jìn)行偏置電壓掃描即可逡逑實(shí)時(shí)、快速地得到等離子體的電子溫度、電Ｔ密度等參數(shù)［２５，，３１】。因此，三探針診斷技逡逑術(shù)在實(shí)現(xiàn)等離子體的高時(shí)間分辨測(cè)量方面，特別是對(duì)于脈沖放電等離子體的測(cè)量具有十逡逑分重要的意義。然而，利用三探針同樣無法獲得等離子體的空間電位。逡逑（４）諧波探針逡逑１）工作原理逡逑在利用傳統(tǒng)Ｌａｎｇｍｕｉｒ單探針測(cè)量絕緣薄膜沉積［６２＿６５］或者刻蝕［６６－７（）］過程中的等離子逡逑體時(shí)，探針往往會(huì)因?yàn)楸砻姹诲兡?dǎo)致探針絕緣，從而無法正常工作。為了解決該過程逡逑中的探針污染問題［７１，７２］，諧波探針應(yīng)運(yùn)而生。諧波探針最早由Ｒ．邋Ｖ．邋Ｎｉｅｕｗｅｎｈｏｖｅ等人［７３］逡逑提出

【參考文獻(xiàn)】

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2 李雪春;王歡;丁振峰;程嘉;;Effect of Duty Cycle on the Characteristics of Pulse-Modulated Radio-Frequency Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge[J];Plasma Science and Technology;2012年12期

3 吳靜;劉國;姚列明;段旭如;;等離子體鞘層附近塵埃顆粒特性的數(shù)值模擬[J];物理學(xué)報(bào);2012年07期

4 鄭堯邦;馬錦秀;李毅人;李衛(wèi);;等離子體擴(kuò)散流中金屬平板上下游的鞘層結(jié)構(gòu)[J];核聚變與等離子體物理;2012年01期

5 龐見華;陸文琪;辛煜;王行行;賀佳;徐軍;;Plasma Diagnosis for Microwave ECR Plasma Enhanced Sputtering Deposition of DLC Films[J];Plasma Science and Technology;2012年02期

6 王道泳;馬錦秀;李毅人;張文貴;;等離子體中熱陰極鞘層的結(jié)構(gòu)[J];物理學(xué)報(bào);2009年12期

7 高素芳;徐大誠;;一種基于等效采樣技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J];化工自動(dòng)化及儀表;2009年02期

8 劉芳;黃海濤;黃紹松;趙志東;;低溫等離子體滅菌的研究進(jìn)展[J];環(huán)境與健康雜志;2007年05期

9 吳瑩;白順波;王俊彥;陳建平;倪曉武;;利用微波診斷等離子體的方法[J];光電子技術(shù);2007年01期

10 劉曉東;鄭曉泉;張要強(qiáng);曲文波;;低溫等離子體的診斷方法[J];絕緣材料;2006年02期

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4 段萍;等離子體鞘層及塵埃在鞘層中的特性研究[D];大連理工大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：2798046