南京大學(xué)近代物理實驗2014版——氣體放電中等離子體的研究

1、實驗2.3 氣體放電中等離子體的研究 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。在實驗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

2、量正負(fù)帶電粒子、而又不出現(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。它是等離子體的一個主要參量，因為在等離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，正離子密度為，在等離子體中。（3）軸向電場強度。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動能。（5）空間電位分布。本實驗研究的是輝光放電等離子體。輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種

3、形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強保持在10102Pa時，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個區(qū)域，在管內(nèi)兩個電極間的光強、電位和場強分布如圖1所示。8個區(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)。圖1三. 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。本次實驗中采用探針法。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小的金屬電極（其形狀可以是平板形、圓柱形、球形）。以放電

4、管的陽極或陰極作為參考點，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：圖2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動穿過鞘層抵達(dá)探針，形成探針電流，所以段為正離子流，這個電流很小。過了B點，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。到了C點，電子流剛好等于正離子流，互

5、相抵消，使探針電流為零。此時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，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。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)電子的速度服從麥克斯韋分布，則減速電場中靠近

6、探針表面處的電子密度e，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，在單位時間內(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) (5)其中故 (6)可見電子電流的對數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。圖3作半對數(shù)曲線，如圖3所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度： (7)若取以10為底的對數(shù)，則常數(shù)11600應(yīng)改為5040。電子平均動能和平均速度分別為： (8) (9)式中為電子質(zhì)量。由(4)式可求得等離子區(qū)中的電子密度： (10)式中I0為P時的電子電流，

7、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，因為探針的電位要以放電管的陽極或陰極點位作為參考點，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，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，由于兩個探針?biāo)诘牡入x子體電位稍有不同，所以外加電壓為零時，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。圖4雙探針法有一個重要的優(yōu)點，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

8、為流到系統(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： (11)式中為電子電荷，為玻耳茲曼常數(shù)，為流到探針1和2的正離子電流。它們由飽和離子流確定。是附近伏安特性曲線斜率。電子密度為： (12)式中是放電管所充氣體的離子質(zhì)量，是兩根探針的平均表面面積。是正離子飽和電流。四. 實驗儀器本實驗用等離子體物理實驗組合儀、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)的試驗參數(shù)如下：探針直徑(mm)： 0.45 亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00探針軸向間距(mm)： 30.00 亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.

9、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驗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，自動繪出伏安特性曲線，并使用等離子體實驗輔助分析軟件算出等離子體參量。儀器聯(lián)線如圖5所示。圖5測量時采樣電阻設(shè)定為，放電電流設(shè)定為90mA。軟件自動計算的測量結(jié)果如下：U0 = 36.35 VI0 =8057.67 uAtg= 0.44 Te = 2.66E+004 KVe = 1.01E+006 m/sNe = 1.2

10、5E+018 n/m3Ee = 5.52E-019 J作半對數(shù)曲線如圖6所示。圖6我們進(jìn)行手動計算，選取了（51733.380, 17300.460），（33268.620, 2354.178）兩點，對圖像進(jìn)行求導(dǎo)，計算得到： 上述結(jié)果與軟件求得的結(jié)果相差不大，但是由于實驗實際所測得的圖像并沒有明顯的線性增加區(qū)域和飽和區(qū)域，因此斜率與空間電位的估計會有誤差。 六. 用雙探針法測量等離子體參量儀器聯(lián)線如圖7所示。圖7測量時采樣電阻設(shè)定為，放電電流設(shè)定為90mA。軟件自動計算的測量結(jié)果如下：I1 = 634.60 uAI2 = 626.69 uAtg= 2.5E-004Te = 1.48E+004

11、 KNe = 2.81E+017 n/m3作曲線如圖8所示。圖8可見單探針法與雙探針法測出的數(shù)據(jù)在數(shù)量級上是一致的。需要注意的是由于實際實驗中和并不能達(dá)到飽和，因此對實驗數(shù)據(jù)處理時是在曲線兩邊各取一點做該點切線交與電流為零所對應(yīng)的直線，交點的數(shù)值分別取為和，因此在取點時仍然會產(chǎn)生較大誤差。但是我們觀察圖像發(fā)現(xiàn)和的誤差均在正負(fù)10%左右，分析公式可計算誤差范圍為，其中，得相對誤差為-10%-10%，可見雙探針法大大降低了實驗誤差。七. 單探針法和雙探針法的優(yōu)缺點以及誤差分析雙探針法的優(yōu)點：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大于飽和離子電流，從而探針

12、對等離子體的干擾大為減小。單探針法的優(yōu)點：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及空間電位。由數(shù)據(jù)處理可以看到單探針法的誤差較大，因為實驗所得圖-6沒有明顯的線性區(qū)以及飽和區(qū)，因此在計算以及確定時誤差很大，這是因為單探針的離子鞘層的厚度隨著的增加而變化，使得到達(dá)探針的電子數(shù)較多的偏離理論值，而且由于離子鞘層厚度的變化使得探針的有效面積發(fā)生變化使得電流無法真正的到達(dá)飽和。對于雙探針法，離子鞘層對于平行板的影響可以忽略，但是電流仍無法達(dá)到飽和，在確定飽和電流時仍然有較大的隨機性。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

13、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2. 帶點粒子密度，電子密度，正離子密度3. 軸向電場強度4. 電子平均動能5. 空間點位分布3.探針法對探針有什么要求?答：1.電子和離子打到探針表面后被完全吸收，不會發(fā)生次級電子發(fā)射。2.探針熔點要較高，保證其不會在放電過程中熔化。3.探針不與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4.探針的線度適中：小于離子和電子的自由程，減小對等離子體的干擾；同時要明顯大于其表面的正離子鞘層的厚度，以減少離子鞘層的厚度的變化造成的影響。參考文獻(xiàn)

14、1 黃潤生等.近代物理實驗(第二版).南京大學(xué)出版社.2008.4 2 陶孟仙,等離子體特性的靜電探針測量技術(shù)，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，Vol.18 No.3,2000 附錄：原始數(shù)據(jù)1. 單探針法氣體放電中等離子體的研究 實驗報告日期: 2002-01-01 星期二 時間: 00:44- 單探針法實驗參數(shù):探針直徑(mm)： 0.45探針軸向間距(mm)： 30.00放電管內(nèi)徑(mm)： 6.00平行板面積(mm2)： 28.00平行板間距(mm)： 4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.00亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400放電電流(mA)： 90單探針序號： 1取樣電阻值()： 1000實驗結(jié)果:U0 = 36.35 VI0 =8057.67 uAtg= 0.44 Te = 2.66E+004 KVe = 1.01E+006 m/sNe = 1.25E+018 n/m3Ee = 5.52E-019 J用Matlab擬合的單探針的半對數(shù)曲線2. 雙探針法氣體放電中等離子體的研究 實驗報告日期: 2002-01-01 星期二 時間: 01:13- 雙探針法實驗參數(shù):探針直徑(mm)： 0.45探針軸向間距