【摘要】：現(xiàn)有的靜電探針理論無法實現(xiàn)對等離子體的定量準確性測量,其主要原因是等離子體鞘層結(jié)構尚不完全清楚�，F(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強度不連續(xù)。為了解決等離子體與鞘層在邊界處電場不連續(xù)的問題,部分學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,而其他學者則認為鞘層與等離子體的邊界電場應該定義為TeD。鞘層邊界問題至今懸而未決的主要原因就是準確的鞘層診斷實驗數(shù)據(jù)不足。為此,本文考慮從等離子體鞘層結(jié)構的發(fā)射探針診斷入手展開研究,為解決鞘層結(jié)構問題并進一步解決靜電探針診斷的定量準確性問題建立基礎。診斷鞘層結(jié)構的難點在于鞘層邊界附近區(qū)域電勢分布的準確測量,因為這一區(qū)域的電勢變化通常很小(～1 V),因此所采用的電勢測量技術需要擁有很高的測量精度(～0.1 V),而現(xiàn)有的發(fā)射探針診斷技術均不能達到這樣的測量精度。為此,本文首先對空間電勢的發(fā)射探針診斷技術進行研究,提出了一種改進的發(fā)射探針零發(fā)射極限拐點電勢法,即通過線性外推發(fā)射探針I(yè)-V特性曲線的拐點電勢(Vip)與探針加熱電流(Iht)的曲線至電子發(fā)射電流(Iemis,)為零處,所獲得的電勢即為準確的等離子體空間電位。雙極板空間軸線的真空電勢分布測量實驗顯示該方法對于空間電勢的測量精度能夠達到0.1 V,為準確測量鞘層電勢分布提供了保證。由于改進的零發(fā)射極限拐點電勢法自身繁瑣的操作步驟,手動執(zhí)行該方法進行等離子體鞘層電勢分布測量,往往會因為工作量大、測量時間久而難以實現(xiàn)。因此,基于改進的零發(fā)射極限拐點電勢法,本文自主研發(fā)了自動發(fā)射探針診斷裝置。該裝置能夠自動給發(fā)射探針施加和調(diào)節(jié)加熱電流和探針偏壓,自動獲取并分析實驗數(shù)據(jù),快速給出測量結(jié)果,顯著提高了利用發(fā)射探針測量空間電勢的工作效率。利用自動發(fā)射探針診斷裝置進行負陰極鞘層電勢分布測量,結(jié)合相關的理論對實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析,結(jié)果表明:鞘層與預鞘層之間存在一個過渡區(qū)域,鞘層中的電勢分布滿足Child定律鞘層電勢分布表達式,預鞘層中的電勢分布滿足相應的預鞘層電勢分布表達式,過渡區(qū)與預鞘層邊界處的電場強度滿足過渡區(qū)鞘層理論的鞘層邊界條件,證實了鞘層過渡區(qū)理論關于鞘層邊界電場的正確性。此外,本文利用發(fā)射探針對較高氣壓環(huán)境中的空間電勢測量進行探索。較高氣壓環(huán)境中的真空電勢測量以及微波ECR氬氣等離子體空間電位測量實驗表明:改進的零發(fā)射極限拐點電勢法能夠可靠測量氣壓低于350 Pa的空間電勢。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測量。發(fā)射探針的較高氣壓空間電勢可靠測量實驗為今后的碰撞鞘層結(jié)構研究建立了基礎。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O53
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｐｒｏｂｅ邋ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ逡逑為了測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［２７］。如圖１．３所示，雙探針由兩個Ｌａｎｇｍｕｉｒ■單探針組成，在測量等離子體時，通過逡逑外加電源使兩個探針之間存在一定的電勢差Ｒ探針回路中對應的電流為／。當兩個兩逡逑個探針之間的電勢差Ｆ較大時，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)在測量過程中始終處于懸浮狀態(tài)（整個系統(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，并在電路中添加一個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)探針的電流信號會產(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)缺點逡逑三探針系統(tǒng)既能減小電子收集電流對等離子體的干擾，又能直接測得電子溫度、電逡逑子密度等參數(shù)［２５，３（），３１］。此外，由于三探針診斷技術不需要對探針進行偏置電壓掃描即可逡逑實時、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在實現(xiàn)等離子體的高時間分辨測量方面，特別是對于脈沖放電等離子體的測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，探針往往會因為表面被鍍膜導致探針絕緣，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］，諧波探針應運而生。諧波探針最早由Ｒ．邋Ｖ．邋Ｎｉｅｕｗｅｎｈｏｖｅ等人［７３］逡逑提出

【參考文獻】

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本文編號：2798046