一种测量等离子体电子非广延参数的方法技术

本发明专利技术涉及一种测量等离子体电子非广延参数的方法，采用非广延统计力学和电探针测量等离子体非广延参数。本发明专利技术将等离子体由非广延统计力学描述，并在此基础上建立非广延电单探针(测量)理论。应用非广延电单探针我们测得了传统电单探针无法测得的电子非广延参数，并且获得了较传统单探针更精确的电子温度、等离子体电位、电子密度和悬浮电位。通过本发明专利技术的技术方案，非广延电探针在等离子体诊断中发挥作用，将测量等离子体非广延性，并提高其它等离子体参数的诊断精度。

A method to measure the electron non extensive parameters of plasma

【技术实现步骤摘要】
一种测量等离子体电子非广延参数的方法
本专利技术涉及等离子体非广延参数诊断领域，具体涉及一种测量等离子体电子非广延参数的方法。
技术介绍
等离子体广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，离子的动能超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。如果进一步对气体加热，气体则部分电离或完全电离，即原子的外层电子会摆脱原子核的束缚变成自由电子，而失去外层电子的原子变成带电的离子。当带电粒子的比例超过一定程度时，电离气体就会呈现出明显的电磁性质，而其中正离子和负离子(电子)的数目相等，因此被称之为等离子体。在等离子体参数诊断领域，许多等离子体参数(信息)由电探针诊断获得。等离子体中各成分(粒子)预设服从什么分布对电单探针测量至关重要，需要先预设待测等离子体可用什么统计力学来描述。等离子体的统计假说包括玻尔兹曼-吉布斯统计力学，在该假说中，等离子体各成分服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布。然而，理论分析和大量实验证明等离子体各成分不满足玻尔兹曼-吉布斯统计。将等离子体视为由麦氏成分和非麦氏成分构成，可由非广延统计力学很好地描述，由此带来的描述等离子体非广延性的新等离子体参数——电子非广延参数——还无法诊断。
技术实现思路
针对上述无法测量等离子体非广延参数的技术问题，本专利技术提供一种测量等离子体电子非广延参数的方法。本专利技术所采用的技术方案为：一种测量等离子体电子非广延参数的方法，采用非广延统计力学和电探针测量等离子体非广延参数。进一步地优选，具体步骤为：第一步，用非广延统计力学描述等离子体，求得非广延电单探针I-V曲线公式；第二步，收集电单探针I-V实验数据，第三步，采用第一步求得的非广延电单探针I-V曲线公式对第二步收集到的电单探针I-V实验数据进行非线性拟合，第四步，作拟合优度曲线，第五步，求得最小SSE对应的电子非广延参数值，第六步，作拟合优度曲线，第七步，求得最大R2对应的电子非广延参数值，第八步，将第七步和第五步求得的电子非广延参数对照，第九步，看第八步两结果对照是否一致，第十步，如果第九步结果为一致，则确认为最优电子非广延参数，第十一步，利用第十步求得的最优电子非广延参数，代入第三步中的数据组，得到最优电子非广延参数对应的数据组，第十二步，输出测量结果报告。进一步地优选，所述步骤一中探针收集电流的公式为：其中：V为偏置电压，Φp为等离子体电位，κB为玻尔兹曼常数，e是电子电荷，Te是电子温度，ne是未扰区电子密度，Ap是探针收集面积，Aq为非广延分布归一化常数，是等离子体中电子的非广延参数，mi是离子质量，me是电子质量。本专利技术将等离子体由非广延统计力学描述，并在此基础上建立非广延电单探针(测量)理论。应用非广延电单探针我们测得了传统电单探针无法测得的电子非广延参数，并且获得了较传统单探针更精确的电子温度、等离子体电位、电子密度和悬浮电位。通过本专利技术的技术方案，非广延电探针在等离子体诊断中发挥作用，将测量等离子体非广延性，并提高其它等离子体参数的诊断精度。附图说明图1是电单探针测试装置示意图；1-电单探针，2-真空室壁；图2是电单探针(I-V)实验数据按三种处理方法(ESP公式、ESP拟合、NSP拟合)所得曲线图；横坐标是单探针上外加偏置电压V，纵坐标是单探针收集总电流I。ESP公式线是传统电单探针采用公式法所测得的结果对应的直观曲线，ESP拟合线是在等离子体成分满足麦克斯韦(广延)分布的假设下进行非线性拟合得到的测量结果对应的直观曲线，NSP拟合线是在等离子体成分满足非广延分布的假设下进行非线性拟合得到的测量结果对应的直观曲线。图3是非广延电单探针I-V特性曲线。图4是电子非广延参数取值精确到0.001时非线性拟合残差平方和随电子非广延参数变化曲线。纵坐标SSE是残差平方和。图5是电子非广延参数取值精确到0.001时非线性拟合确定系数随电子非广延参数变化曲线。纵坐标R2是非线性拟合确定系数。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明。一种测量等离子体电子非广延参数的方法，采用非广延统计力学和电探针测量等离子体非广延参数。具体步骤为：第一步，用非广延统计力学描述等离子体，求得非广延电单探针I-V曲线公式；第二步，收集电单探针I-V实验数据，第三步，采用第一步求得的非广延电单探针I-V曲线公式对第二步收集到的电单探针I-V实验数据进行非线性拟合，第四步，作拟合优度曲线，如图4所示。第五步，求得最小SSE对应的电子非广延参数值，第六步，作拟合优度曲线，如图5所示。第七步，求得最大R2对应的电子非广延参数值，第八步，将第七步和第五步求得的电子非广延参数对照，第九步，看第八步两结果对照是否一致，第十步，如果第九步结果为一致，则确认为最优电子非广延参数，第十一步，利用第十步求得的最优电子非广延参数，代入第三步中的数据组，得到最优电子非广延参数对应的数据组，第十二步，输出测量结果报告。步骤一中所述非广延电单探针I-V曲线公式通过以下过程推导：当探针电位小于等离子体鞘电位，即V＜Φp-(κBTe/2e)时，探针周围将形成正电荷鞘层。探针收集电流是由随机热运动的荷电粒子进入鞘层所形成的电流。在非广延统计框架下，这时电子电流Ie为随机热运动电流乘以非广延指数因子(代替玻尔兹曼因子)：其中：V为偏置电压，Φp为等离子体电位，κB为玻尔兹曼常数，e是电子电荷，Te是电子温度，ne是未扰区电子密度，Ap是探针收集面积，Aq为非广延分布归一化常数，是等离子体中电子的非广延参数，是非广延等离子体中电子的平均热运动速率。离子的收集，按Bohm的鞘层形成理论，鞘外有一预鞘区，流向探针的离子从未扰动等离子体区经预鞘区加速，并在鞘边缘达到离子声速探针表面收集到的是越过鞘边缘的离子形成的电流，称为离子饱和电流Isi(＝-|Isi|)。将鞘层形成的Bohm理论推广到非广延情形，有：这里As为鞘层表面积，当壳厚度可以忽略时有故此时探针总收集电流为mi是离子质量，me是电子质量。步骤二中收集I-V实验数据通过常用的电单探针装置收集，如图1所示，电单探针测试装置包括电单探针1和真空室壁2，电单探针表面被略短的陶瓷、石英或玻璃材质的绝缘管包裹着，探针右端穿过真空室壁与图1中用随机散点表示的等离子体直接接触。本专利技术通过电单探针收集I-V实验数据。探针左端连接着探针电路，正极向上的可变电源串联着电流表，电流表测量探针的收集电流值I(电流正方向设为从探针表面流向等离子体的方向，从电子电流和离子电流的电荷移动方向可以看出，电子电流是正方向的，而离子电流是负方向的)。与接地的真空室壁相连的电压表测量单探针上外加的可变偏置电压。调节电源所加偏置电压大小，得到不同偏置电压下探针收集电流的数据。如图2所示，是将第二步收集的电单探针I-V实验数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量等离子体电子非广延参数的方法，其特征在于，采用非广延统计力学和电探针测量等离子体非广延参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种测量等离子体电子非广延参数的方法，其特征在于，采用非广延统计力学和电探针测量等离子体非广延参数。


2.根据权利要求1所述的一种测量等离子体电子非广延参数的方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步，用非广延统计力学描述等离子体，求得非广延电单探针I-V曲线公式；第二步，收集电单探针I-V实验数据；第三步，采用第一步求得的非广延电单探针I-V曲线公式对第二步收集到的电单探针I-V实验数据进行非线性拟合；第四步，作拟合优度SSE-qF。曲线；第五步，求得最小SSE对应的电子非广延参数值；第六步，作拟合优度R2-qF。曲线；第七步，求得最大R2对应的电子非广延参数值；第八步，将第七步和第五步求得的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱慧斌，周振宇，刘三秋，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36