基于发射探针技术的高气压等离子体空间电位诊断研究

The accurate measurement of plasma space potentials plays an important role in the study of the plasma sheath structure, the industrial application of low-temperature plasmas and the plasma diagnostic with electrostatic probes. Although the accuracy of emissive probe diagnostic techniques in the space potential measurement of low-pressure (≤1Pa) plasmas can be 0.1V, so far, it is still unable to accurately measure the space potential of high-pressure plasmas with the emissive probe. As the plasma pressure increased, the ionization of the neutral particles caused by the increase of the collision rate between the emitted electrons and the neutral particles can inevitably perturb the local plasma. On the other hand, the increase of the oxygen content in the vacuum chamber also can lead to a sharp shortening of the lifetime of the tungsten filament. Therefore, this project plans to use the new emissive probe which can work in the aerobic environment for a long time, and combine the improved emissive probe inflection point potential method with zero emission limit, to research the principle and operation steps of accurately measuring the space potential of high-pressure plasmas with the emissive probe, and obtain the corresponding measurement accuracy. The accurate space potential measurement of high-pressure plasmas can establish the foundation for the further research of the collisional sheath structure and the electrostatic probe diagnostic of high-pressure plasmas.

等离子体空间电位的准确测量对于等离子体鞘层结构研究、低温等离子体的工业应用以及等离子体的静电探针诊断等方面都具有举足轻重的作用。尽管发射探针诊断技术对低气压（≤1Pa）等离子体空间电位的测量精度能够达到0.1V，但到目前为止，发射探针仍无法实现对高气压等离子体空间电位的准确测量。随着放电气压的升高，探针发射的电子加速离开探针时，与中性粒子碰撞致其离子化，从而对探针附近的等离子体造成不可避免的扰动；另一方面，真空室中氧绝对含量的升高也会导致钨丝发射探针的灯丝寿命急剧缩短。因此，本项目计划利用能够在有氧环境中长时间工作的新型发射探针，并且结合发射探针改进的零发射极限拐点电势法，研究利用发射探针准确测量高气压等离子体空间电位的原理和操作步骤，同时给出相应的测量精度。高气压等离子体空间电位的准确测量能够为碰撞鞘层结构研究和高气压等离子体的静电探针诊断研究建立基础。

等离子体诊断技术对于工业应用等离子体环境的监测具有非常重要的意义。在国家光伏产业制造和芯片制造等领域中，大多数所使用的等离子体工艺的环境气压通常为几十帕、几百帕甚至上千帕。为了解决目前的静电探针诊断技术无法应用于气压高于10 Pa的等离子体测量中，我们首先尝试实现发射探针对高气压等离子体的诊断突破。在我们的研究中，我们对朗缪尔探针和发射探针的结构进行了优化设计，对高气压等离子体的发射探针诊断中的实验现象和物理机制进行了深入研究，同时也对发射探针对高气压等离子体空间电位的测量精度进行了验证。利用新型探针我们实现了高气压等离子体空间电位的准确测量，并对高气压等离子体的发射探针诊断原理及其物理机制进行了阐释，其测量精度经相关实验验证可以达到0.3 V。此外，相关的误差分析表明，在高气压等离子体的发射探针诊断过程中，影响等离子体空间电位测量结果的主要因素包括灯丝发射的热电子所导致的“虚拟阴极”、灯丝工作的环境以及灯丝状态等等。在真空“虚拟阴极”研究中，我们在实验上首次测得钨丝发射探针表面的虚拟阴极的势阱深度能够达到伏特量级，虚拟阴极的空间宽度则在毫米量级。在我们已经取得的研究成果基础上，我们进一步探索了发射探针能够准确测量高气压等离子体空间电位的上限环境气压，相关研究结果表明，钨丝发射探针能够实现等离子体空间电位测量的上限环境气压为350 Pa左右，继续升高等离子体环境气压，钨丝发射探针难以完成有效测量。本项目的研究成果对于工业应用的高气压等离子体的环境监测具有非常重要的意义，同时也将进一步推动和发展适用于高气压等离子体的朗缪尔探针技术。