曹虹+胡要花
摘 要：等離子体诊断是一门测定等离子体特性的技术，本文对探针法等离子体探测的原理进行了理论分析，包括静电探针、磁探针和电导率探针技术，并对每种方法的优缺点进行了讨论。本讨论对等离子体光谱诊断具有一定参考意义和价值。
关键词：等离子体诊断；静电探针；磁探针；电导率探针
一、 引言
等离子体（Plasma）是一种由带电离子和自由电子为主要成分的物质形态，可理解为电离的气体，该形态的物质广泛存在于宇宙之中，也是宇宙中含量最多的物质形态，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，也称“超气态”或“电浆体”。
等离子体含有大量的自由电荷，因此其电导率相对较大，等离子体主要靠它受到电磁力的作用来控制其运动状态。等离子体内含有带电离子和自由电子，有些还可能含有中性的原子和分子，等离子体内的正负电荷大致相等，因此这种形态的物质整体呈电中性。
等离子体特性诊断是一门测定等离子体特性的技术。根据不同的情况会有不同的诊断方法。最常用的方法有光谱法、探针法和微波法，除此之外，还有一些特殊情况使用的方法如激光法、粒子束法等。等离子体特性诊断需要测得的参数主要有电子的温度、密度、碰撞频率等，我们根据电子的温度和密度的不同尺度，选取不同的测量方法。
二、 探针法等离子体诊断的基本原理
探针法是等离子体特性诊断中比较直观的基本方法，这个方法就是把一个探针放入被诊断的等离子体内，通过实体探针探测到等离子体的某些参量。探针法使用的探针也分很多种，分别介绍如下：
（一） 静电探针
实验中，在探针和补偿电极之间加上偏置电压，连接好电路之后，等离子体中带电粒子就会被静电探针所吸引，在带电粒子的作用下形成电流。在探针的外部连接着电压表和电流表，通过记录和比较两表中测得的数据，就可以描述出静电探针中的电流和电压的关系，即伏安特性曲线。等离子体特性曲线可以分为三个部分，分别叫做饱和离子电流区、过渡区和饱和电子电流区。
饱和离子电流区的等离子体空间电位远高于探针的电位，故绝大部分被探针收集的粒子是正电离子。
过渡区中的等离子体空间电位比饱和离子电流区的电位高，但依然比空间电位低。过渡区中负电电子和正电离子都可以被探针所收集，由于正电离子和负电电子的同向运动会产生反向的电流，在某一时刻，两个方向的电流相等，于是探针的总电流是0，这时候探针的电位叫做浮置电位。饱和离子电流区和过渡区的特性被称作“负探针特性”。
当空间电位与探针的电位相等时，带电离子在自身热运动的作用下到达探针表面，探针表面存在不相上下的正负两种电荷，由于探针表面电荷的正负没有规律，所以探针收集的电荷极性也没有规律，粒子运动产生的电流是无规电流，特征曲线处于饱和电子电流区。当探针的电位比空间电位高时，绝大部分正电离子都在探针表面电荷的作用下被排斥，探针几乎只探测到电子运动产生的电流。
以上对静电探针的叙述从理论上说明了等离子体特性和静电探针状态之间的基本的关系，从静电探针连接的电流表和电压表上的数据上可以求出等离子体中的电子温度和粒子密度，改变探针的位置就能测出另一位置的等离子体特性，多次改变探针位置就能得到描述等离子体特性的参数的分布情况。
（二） 磁探针
磁探针就是一个线圈，在等离子体诊断中把一个线圈放入等离子体中当做探针，等离子体中的磁场是变化的磁场，线圈在磁场中会随着磁通量Φ的变化而产生电动势ε，利用这个感生电动势就能推出当前探针的位置上的磁感应强度与时间的关系。
当前探针位置上的磁感应强度可以通过把积分电路接入磁探针而直接得到。改变磁探针的线圈方向就能测出其他方向上的磁场的分量，根据多次改变线圈方向得到的多个磁场分量与方向的关系就能推出描述等离子体特性的参数的分布情况。
磁探针的结构简单操作方便，测量位置灵活，故在等离子体特性的诊断研究中，磁探针有广泛的应用，磁探针的引入也使得磁场对等离子体特性的影响有了更加深入的研究。但是磁探针也不是所有等离子体特性诊断都适合使用的，特性随时间变化而明显改变的等离子体才适合使用磁探针诊断，由于磁探针的原理是通过感应磁通量的变化而产生感生电动势，但这样产生的感生电动势一般比较微弱，故大大影响了输出信号的可读性，所以要提高实验的准确度，我们要做一些静电屏蔽的工作。
（三） 电导率探针
电导率探针由两组线圈组成，这两组线圈分别叫做探测线圈和磁场线圈，电导率探针的基本原理是磁场和等离子体之间的作用导致的变化，电导率线圈可以方便的确定等离子体的电导率，常用的电导率探针由电导率计，以及射频电导率探针等。
射频电导率探针只有一个线圈，这一个线圈既是磁场线圈，又可以是探测线圈，射频电导率探针的这个线圈连接一个振荡器，这个振荡器可以产生高频震荡，然后传输到等离子体上的电解质窗口上，并在等离子体中感应出涡流，线圈的阻抗又在涡流的影响下改变。通过测得的数据可以得知线圈的谐振频率及其变化，就能够得出等离子体的电导率。
三、 结论
探针法是等离子体诊断的一个重要方法，本文分析了静电探针、磁探针和电导率探针的具体工作原理，为实际等离子体诊断探针的选择提供了理论基础。
参考文献：
[1]王利娟.等离子体概念、分类及基本特性[J].宜宾学院学报，2009.06，41-43.
[2]杨幼桐，杜凯，张菲，宋国利，万鹏程，刘艳春.等离子体的诊断方法[J].哈尔滨学院学报，2005，10，132-135.
作者简介：
曹虹，胡要花，河南省洛阳市，洛阳师范学院物理与电子信息学院。endprint
