等離子體分析

1、等離子體分析摘要：本文介紹了氣體放電中的等離子體的特性和等離子體診斷技術(shù)，利用單探針法和雙探針法對等離子體的一些基本參量進(jìn)行了測量，并對結(jié)果進(jìn)行分析。文中還簡要介紹了等離子體的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：等離子體，等離子體診斷，探針法 一. 引言 等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)在宇宙中普遍存在。在實(shí)驗(yàn)室中對等離子體的研究是從氣體放電開始的。朗繆爾和湯克斯首先引入“等離子體”這個(gè)名稱。近年來等離子體物理學(xué)有了較快發(fā)展，并被應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工和廣播通訊等部門，特別是等離子體的研究，為利用受控?zé)岷朔磻?yīng)，解決能源問題提供了誘人的前景。 二. 等離子體的物理特性 等離子體定義為包含大量正負(fù)帶電粒子、而

2、又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣體。 等離子體有一系列不同于普通氣體的特性： （1）高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。 （2）帶正電的和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。 （3）宏觀上是電中性的。 描述等離子體的一些主要參量為： （1）電子溫度Te。它是等離子體的一個(gè)主要參量，因?yàn)樵诘入x子體中電子碰撞電離是主 要的，而電子碰撞電離與電子的能量有直接關(guān)系，即與電子溫度相關(guān)聯(lián)。 （2）帶電粒子密度。電子密度為ne，正離子密度為ni，在等離子體中neni。 （3）軸向電場強(qiáng)度EL。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動(dòng)能E。 （5）空間電位分布。 本實(shí)驗(yàn)研究的是輝光放電等離

3、子體。 輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在10102Pa時(shí)，在兩電極上加高電壓，就能觀察到管內(nèi)有放電現(xiàn)象。輝光分為明暗相間的8個(gè)區(qū)域，在管內(nèi)兩個(gè)電極間的光強(qiáng)、電位和場強(qiáng)分布如圖1所示。8個(gè)區(qū)域的名稱為（1）阿斯頓區(qū)，（2）陰極輝區(qū)，（3）陰極暗區(qū)，（4）負(fù)輝區(qū)，（5）法拉第暗區(qū)，（6）正輝區(qū)，（7）陽極暗區(qū)，（8）陽極輝區(qū)。其中正輝區(qū)是等離子區(qū)。三. 單探針與雙探針法測量原理 測試等離子體的方法被稱為診斷。等離子體診斷有探針法，霍爾效應(yīng)法，微波法， 光譜法等。本次實(shí)驗(yàn)中采用探針法。探針法分單探針法和雙探針法。 （1）單探針法。探針是封入等離子體中的一個(gè)小的金屬電極（其形狀可以

4、是平板形、圓柱形、球形）。以放電管的陽極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位，測出相應(yīng)的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關(guān)系，即探針伏安特性曲線，如圖2所示。對此曲線的解釋為： 在AB段，探針的負(fù)電位很大，電子受負(fù)電位的排斥，而速度很慢的正離子被吸向探針，在探針周圍形成正離子構(gòu)成的空間電荷層，它把探針電場屏蔽起來。等離子區(qū)中的正離子只能靠熱運(yùn)動(dòng)穿過鞘層抵達(dá)探針，形成探針電流，所以段為正離子流，這個(gè)電流很小。 過了B點(diǎn)，隨著探針負(fù)電位減小，電場對電子的拒斥作用減弱，使一些快速電子能夠克服電場拒斥作用，抵達(dá)探極，這些電子形成的電流抵消了部分正離子流，使探針電流逐漸下降，所以段為正離子流加電子流。 到

5、了C點(diǎn)，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電流為零。此時(shí)探針電位就是懸浮電位F。 繼續(xù)減小探極電位絕對值，到達(dá)探極電子數(shù)比正離子數(shù)多得多，探極電流轉(zhuǎn)為正向，并且迅速增大，所以CD段為電子流加離子流，以電子流為主。 當(dāng)探極電位P和等離子體的空間電位S相等時(shí)，正離子鞘消失，全部電子都能到達(dá)探極，這對應(yīng)于曲線上的D點(diǎn)。此后電流達(dá)到飽和。如果P進(jìn)一步升高，探極周圍的氣體也被電離，使探極電流又迅速增大，甚至燒毀探針。 由單探針法得到的伏安特性曲線，可求得等離子體的一些主要參量。 對于曲線的CD段，由于電子受到減速電位(P-S)的作用，只有能量比(P-S)大的那部分電子能夠到達(dá)探針。假定等離子區(qū)內(nèi)電

6、子的速度服從麥克斯韋分布，則減速電場中靠近探針表面處的電子密度ne，按玻耳茲曼分布應(yīng)為（1）式中o為等離子區(qū)中的電子密度，e為等離子區(qū)中的電子溫度，為玻耳茲曼常數(shù)。 在電子平均速度為ve時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)落到表面積為的探針上的電子數(shù)為：(2)將(1)式代入(2)式得探針上的電子電流:（3）其中（4）對（3）式取對數(shù)其中故可見電子電流的對數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。作半對數(shù)曲線，如圖3所示，由直線部分的斜率tg，可決定電子溫度Te： tg=lnIUP=ekTeTe=ektg=11600tg（K）若取以10為底的對數(shù)，則常數(shù)11600應(yīng)改為5040。電子平均動(dòng)能Ee和平均速度Ve分別為：式中me為電子質(zhì)

7、量。 由(4)式可求得等離子區(qū)中的電子密度：式中I0為P時(shí)的電子電流，為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積。（2）雙探針法。單探針法有一定的局限性，因?yàn)樘结樀碾娢灰苑烹姽艿年枠O或陰極點(diǎn)位作為參考點(diǎn)，而且一部分放電電流對探極電流有所貢獻(xiàn)，造成探極電流過大和特性曲線失真。 雙探針法是在放電管中裝兩根探針，相隔一段距離L。雙探針法的伏安特性曲線如圖4所示。在坐標(biāo)原點(diǎn)，如果兩根探針之間沒有電位差，它們各自得到的電流相等，所以外電流為零。然而，一般說來，由于兩個(gè)探針?biāo)诘牡入x子體電位稍有不同，所以外加電壓為零時(shí)，電流不是零。 隨著外加電壓逐步增加，電流趨于飽和。最大電流是飽和離子電流Is1，Is2。雙探針

8、法有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即流到系統(tǒng)的總電流決不可能大于飽和離子電流。這是因?yàn)榱鞯较到y(tǒng)的電子電流總是與相等的離子電流平衡。從而探針對等離子體的干擾大為減小。由雙探針特性曲線，通過下式可求得電子溫度Te式中e為電子電荷，k為玻耳茲曼常數(shù)，Ii1，Ii2為流到探針1和2的正離子電流。它們由飽和離子流確定。是U=0附近伏安特性曲線斜率。電子密度ne為：式中M是放電管所充氣體的離子質(zhì)量，S是兩根探針的平均表面面積。Is是正離子飽和電流四、實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)用等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀、接線板和等離子體放電管。放電管的陽極和陰極由不銹鋼片制成。相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)如下： 探針直徑(mm)： 0.45 亥姆霍茲線圈直徑(mm

9、)：200.00 探針軸向間距(mm)： 30.00 亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.00 放電管內(nèi)徑(mm)： 6.00 亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400 平行板面積(mm2)： 8.00 放電電流(mA)： 90 平行板間距(mm)： 4.00 取樣電阻值()： 1000五、用單探針法測量等離子體參量本實(shí)驗(yàn)我們采用的是電腦化X-Y函數(shù)記錄儀直接記錄探針電位和探針電流，自動(dòng)繪出伏安特性曲線，并使用等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件算出等離子體參量。儀器連線如圖所示測量時(shí)采樣電阻設(shè)定為1000，放電電流設(shè)定為98mA。軟件計(jì)算得結(jié)果為U0 = 30.06 VI0 =4732.49 uAtg= 0.67 Te

10、 = 1.72E+004 KVe = 8.15E+005 m/sNe = 9.12E+017 n/m3Ee = 3.56E-019 J下圖為單探針的對數(shù)曲線圖下面進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算。取圖像上（25703.44，5.36704）點(diǎn)所在處為第一切點(diǎn)求斜率得tg=0.755?。?3602.2，9.12846）為第二切點(diǎn)，切線斜率為0.033故由兩線交點(diǎn)可求得I0=5848ATe=11600tg=15466（K）所以電子平均動(dòng)能Ee和平均速度ve分別為Ee=1.5kTe=3.2×10-19Jve=8kTeme=7.72×105m/s所以電子密度ne為ne=4I0eSve=1.189

11、15;1018m-3上述結(jié)果與軟件求得結(jié)果相差不大。六、用雙探針法測量等離子體參量儀器連線如下圖所示測量時(shí)放電電流為90mA，取樣電阻值為1000，由軟件計(jì)算得實(shí)驗(yàn)結(jié)果為I1 = 265.04 uAI2 = 267.64 uAtg= 1.3E-004Te = 1.19E+004 KNe = 1.33E+017 n/m3下圖為雙探針伏安特性圖從圖中可以明顯看出曲線可以分成三個(gè)部分。曲線兩邊各取一點(diǎn)做該點(diǎn)切線交與電流為零所對應(yīng)的直線，交點(diǎn)的數(shù)值分別取為I1和I2。如圖取得I1=265A,I2=265A,tg=1.3×10-4故Te=ekI1×I2I2+I1dUdI=1.2

12、15;104Kne=2IseSMkTe=1.3×1017m-3七、誤差分析從上述實(shí)驗(yàn)中可以看到兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn):雙探針法的優(yōu)點(diǎn)：雙探針法不需要參考電位，受放電系統(tǒng)接地情況的影響較小。另外由于流到探針的總電流不會(huì)大于飽和離子電流，從而探針對等離子體的干擾大為減小。 單探針法的優(yōu)點(diǎn)：單探針法可以通過伏安特性曲線得到雙探針法無法獲得的懸浮電位UF及空間電位Us。雙探針法測中，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)是在曲線兩邊各取一點(diǎn)做該點(diǎn)切線交與電流為零所對應(yīng)的直線，因此在取點(diǎn)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大誤差。觀察圖像可知I1,I2的誤差在正負(fù)10%左右，分析公式可計(jì)算誤差其中故相對誤差在正負(fù)10%。八、思考題1. 氣體放電中的等離子體有什么特性？ 答：1.高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。 2.帶正電和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。 3宏觀為電中性 4.有輝光特性，電子的平均動(dòng)能遠(yuǎn)大于其他粒子，處于非平衡狀態(tài)2. 等離子體有哪些主要參量？ 答：1. 電子溫度Te2. 帶點(diǎn)粒子密度n，電子密度ne，正離子密度n