鼎阳技术笔记-数字源表结合双探针法测量直流辉光放电等离子体参数

引言

低温直流辉光放电等离子体广泛应用于日光照明、薄膜溅射镀膜、离子刻蚀、实验室等离子体机理研究等场景，电子温度、等离子体密度是表征等离子体状态的核心参数。朗缪尔探针法是低气压等离子体最简便的诊断手段，其中双探针法适配无接地电极放电腔体，对等离子体扰动更小，是高校教学与真空工艺研发常用测试方案。

传统测试方案采用分立直流电源搭配微安表手动采集 I-V 曲线，存在电流测量精度低、扫描步长粗、人工记录误差大、无法批量多工况对比等缺陷。

鼎阳数字源表（SMU）集成精密电压输出与 nA 级微弱电流同步采集能力，搭配四线开尔文测量模式，可自动化完成双探针电压扫描，完整复现等离子体 I-V 特性曲线，精准计算电子温度、等离子体密度，量化气压、放电功率、探针位置对等离子体参数的影响，为等离子体实验提供标准化、高精度测试解决方案。

图 1 低气压放电管原理图

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原理

低压直流气体放电分为暗放电、辉光放电、电弧放电三个阶段，实验选用稳定的辉光放电区间，放电管沿轴向分为阴极区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区、阳极暗区。其中正柱区等离子体准中性、电场均匀、电离度稳定，是双探针放置的最优测试区域。

1.双探针法测量原理

双探针由两根平行钨丝探针组成，整体置于等离子体正柱区，两探针间施加可变偏置电压，同步采集回路电流，生成 I-V 特征曲线。该方案核心优势为回路最大电流不超过离子饱和电流，极大降低测量设备对等离子体原始状态的干扰；缺点是无法直接测得等离子体空间电位。 测量基础假设：

1). 正柱区等离子体电中性，电子密度ne与离子密度ni相等，粒子速度满足麦克斯韦分布；

2). 探针鞘层厚度远小于探针尺寸，忽略边缘效应；

3). 鞘层内粒子无碰撞电离、激发；

4). 探针无热电子、二次电子发射，不与工作气体发生化学反应。

通过源表采集完整 I-V 曲线后，对曲线线性区间求导，代入理论公式即可求解电子温度Te、等离子体密度n。

电子温度计算：

等离子体密度计算：

图 2 传统双探针法测量原理框图

3. 鼎阳数字源表测试原理

鼎阳数字源表采用一体化源测架构，支持电压扫描输出 + 同步微电流采集，四线开尔文 Force/Sense 分离接线，消除钨探针引线电阻带来的压降误差。针对等离子体微弱离子饱和电流，仪器具备 pA~mA 宽动态量程，可编程限流保护，避免大电流造成探针鞘层破坏、热电子发射干扰数据。搭配配套上位机软件，可程控设置电压扫描区间、步长、测量延迟，自动存储多组工况 I-V 原始数据。

4.关键等离子体参数表格

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具体操作

1.测试系统硬件搭建

整套测试系统由真空放电腔体、直流辉光放电电源、供气真空单元、鼎阳数字源表、钨丝双探针、屏蔽线缆、工控机组成。

1). 核心仪器：鼎阳双通道数字源表，支持四线测量，电压分辨率 μV 级，电流最低测量量程 10pA；

2). 放电单元：直流放电管、氩气气源、真空计、分子泵，可稳定调控腔体气压、可调直流放电电源

3). 探针组件：两根钨丝探针，位移台可调节探针间距与左右位置；

4). 辅助配件：双层屏蔽同轴电缆，抑制放电电源电磁噪声；工控机搭载鼎阳上位机程控软件。

2.系统接线与设备预处理

1). 真空腔体抽至本底真空，通入氩气，调节真空计稳定至目标气压；

2). 两根钨丝探针接入数字源表四线 Force HI/LO、Sense HI/LO 端口，全程使用屏蔽线缆；

3). 数字源表开机预热 30min，恢复出厂参数，切换至电压源、电流同步测量模式，开启自动电流量程。

3.上位机扫描参数配置

1). 电压扫描范围：-30V ~ +30V，线性步长 0.05V，单步测量延迟 20ms，保证探针鞘层电荷平衡；

2). 电流保护限流：10μA，防止过大偏压损坏探针。

4.实操测试步骤

1). 开启直流放电电源，点燃辉光放电，等待 3min 至正柱区辉光完全稳定；

2). 运行上位机程控程序，启动数字源表自动电压扫描，软件实时绘制 I-V 曲线，自动缓存全部电压、电流原始数据；

3). 一组工况采集完成后，调整真空度或放电功率，等待腔体气压、放电功率稳定后重复扫描；

4). 调整位移台改变两根探针相对位置，采集不对称摆放对照曲线；

图 3 理想双探针实验曲线

5.数据后处理操作流程

1). 剔除 0V 附近畸变平台区域：低偏压下探针无法形成完整鞘层，曲线电导骤降，该区间数据不参与拟合；

2). 选取 - 8~-2V、+2~+8V 线性区间进行线性拟合，计算曲线斜率 dI/dV；

3). 将斜率代入双探针理论公式，批量计算各组工况电子温度Te与等离子体密度；

4). 对比不同气压、功率、探针位置下曲线重合度、对称性，分析等离子体变化规律与测试误差。

图 3 测试结果

总结

测试方案优势：

• nA 级微弱电流高精度测量：适配双探针极小离子饱和电流，最大程度降低测量设备对等离子体本身的干扰，契合双探针低扰动测量需求；

• 四线开尔文测量消除引线误差：钨探针纤细、引线电阻大，Force/Sense 分离接线精准读取探针两端真实压差，避免引线压降造成 I-V 曲线失真；

• 自动化批量多工况测试：上位机程控一键完成连续电压扫描，自动分组存储不同气压、功率、探针位置数据，对比传统手动单点采集，测试效率提升 80% 以上；

• 可编程限流安全保护：自定义电流上限，防止大偏压下探针过热产生热电子发射，避免污染实验数据；

• 数据一键导出便于分析：原始电压、电流数据直接导出表格，可对接 Matlab、Python 批量求解等离子体参数，大幅降低人工计算误差。

鼎阳数字源表搭配双探针法，形成一套完整、标准化的低压直流辉光放电等离子体诊断方案，可清晰复现 I-V 曲线零点平台、高压上扬、位置不对称等关键实验现象，精准量化气压、放电功率对电子温度、等离子体密度的调控规律。

鼎阳全套等离子体测量解决方案，以数字源表为核心测量单元，搭配钨丝双探针、真空放电腔体、程控采集软件，能够帮助高校、科研机构、薄膜工艺企业高效、精确表征直流辉光放电等离子体参数。

数字源表兼具出色的微弱电流测量精度与自动化测试能力，通过程控扫描向导指引用户完成全流程测量，测量原始数据可导出多格式文件用于计算Te、ne等核心参数，非常适合实验室基础研究、教学实验与工业真空腔体等离子体在线监测场景。

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作者丨鼎阳科技 乃力宏

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