Метод электрических зондов Ленгмюра позволяет определить основные параметры плазмы (концентрацию, температуру, макроскопический потенциал и электрическое поле в плазме, направленную скорость носителей заряда), определить функцию распределения электронов по скоростям. Этот метод является основным методом диагностики плазмы. Электрический зонд Ленгмюра представляет собой небольшое по сравнению с общими размерами плазмы и электродов металлическое тело, вводимое в плазму, на котором может поддерживаться определенный потенциал. Используются различные зонды: плоские, цилиндрические, сферические и т.п. Потенциал зонда задается и отсчитывается относительно некоторого опорного электрода, потенциал которого не изменяется в процессе измерения. Параметры плазмы определяются по вольтамперной характеристике зонда [3].

Электрический ток на зонд складывается из тока электронов и тока ионов. Если зонд имеет потенциал, положительный относительно потенциала пространства невозмущенной плазмы, то ионы отталкиваются от него, а электроны притягиваются. В противном случае картина становится обратной.

Теория метода зондов Ленгмюра основывается на нескольких предположениях [6].

1. Электроны в невозмущенной плазме имеют максвелловское распределение по скоростям:

 (18)

 (19)

2. В окрестности зонда, помещенного в плазму, образуется слой пространственного заряда, полностью экранирующего за внешней границей слоя возмущающее действие зонда.

3. Характерный размер зонда значительно больше толщины слоя.

4. В слое пространственного заряда электроны и ионы не испытывают соударений с тяжелыми частицами – атомами и ионами.

5. Если V < V ₀ , электроны находятся в тормозящем поле и в пределах слоя пространственного заряда их концентрация распределена по закону

Больцмана. , где п _е0 – концентрация электронов в

невозмущенной плазме. Используя эти предположения, можно получить аналитические выражения, описывающие вольтамперные характеристики зонда. Например, плотность хаотичного тока электронов на зонд равна,

 (20)

Из (18) имеем

 (21)

Электронный ток на зонд при V < V_o будет равен:

 (22)

При V > V ₀ электронный ток достигает насыщения:

 (23)

Здесь S – площадь собирающей поверхности зонда.

Если отталкивающие частицы – ионы, то для ионного тока можно получить аналогичные выражения путем замены Т_е=Т_i, m=М, φе =-φе. Ионный ток насыщения равен:

 (24)

С уменьшением V относительно V_o можно достигнуть такого положения, при котором ионный и электронный токи сравняются по абсолютной величине и полностью компенсируют друг друга, так что суммарный ток на зонд обратится в ноль. Потенциал зонда, при котором это осуществляется, обычно называется «плавающим потенциалом».

Он определяется из выражений для электронного и ионного токов.

 (25)

Вклад ионного тока в суммарный ток зонда, очевидно, существен только при V < V _пл .