氣體放電中等離子體的研究-南京大學(xué)

1、氣體放電中等離子體的研究南京大學(xué)物理學(xué)院2013級柯震（131120152）一實驗?zāi)康?了解氣體放電中等離子體的特性。2利用等離子體診斷技術(shù)測定等離子體的一些基本參量。二實驗原理1等離子體及其物理特性等離子體定義為包含大量正負帶點粒子、而又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣體。也就是說，其中正負電荷密度相當(dāng)，整體上呈現(xiàn)電中性。等離子體可分為等溫等離子體和不等溫等離子體，一般氣體放電產(chǎn)生的等離子體屬不等溫等離子體。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）帶正電的和帶負電的粒子密度幾乎相等。（3）宏觀上是電中性的。2等離子體的主要參量描述

2、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。此外，由于等離子體中帶電粒子間的相互作用是長程的庫倫力，使它們在無規(guī)則的熱運動之外，能產(chǎn)生某些類型的集體運動，如等離子振蕩，其振蕩頻率稱為朗繆爾頻率或等離子體頻率。電子振蕩時輻射的電磁波稱為等離子體電磁輻射。3 稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電本實驗研究的是輝光放電等離子體。圖2.1

3、 輝光放電的光強，點位和電場分布輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強保持在時，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2.1所示。8個區(qū)域的名稱為阿斯頓區(qū)，陰極輝區(qū)，陰極暗區(qū)，負輝區(qū)，法拉第暗區(qū)，正輝區(qū)，陽極暗區(qū)，陽極輝區(qū)。其中正輝區(qū)是我們感興趣的等離子區(qū)。4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。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。以放電管的陽極或陰極作為參考點，改變探針電位

4、，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2.2所示。圖2.2 單探針伏安特性曲線可以推導(dǎo)出電子電流的對數(shù)和探針點位的關(guān)系：作出lnI-U曲線如圖2.3所示。圖2.3 單探針的半對數(shù)曲線可見電子電流的對數(shù)和探針點位成線性關(guān)系，電子溫度為：電子平均動能和平均速度為：于是可以求得等離子區(qū)的電子密度（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，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2.4所示。圖2.4 雙探針伏安特性

5、曲線在坐標(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。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電子密度為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。三實驗儀器本實驗儀器有等離子體物理實驗組合儀、接線板和等離子體放電管。四實驗步驟本實驗

6、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。實驗中用了單探針法和雙探針法兩種方法。1單探針法測等離子體參量接通儀器主機總電源、測試單元電源、探針單元電源和放電單元電源按前述方法使放電管放電，將放電電流調(diào)到需要值。接通X-Y函數(shù)記錄儀電源，選擇合適的量程。在接線板上選擇合適的電阻。將選擇開關(guān)置“自動”，則探針電壓輸出掃描電壓，當(dāng)需要回零時，按“清零”按鈕，電壓又從零開始掃描。讓函數(shù)記錄儀自動記錄探針的U-I特性曲線。由于等離子體電位在幾分鐘內(nèi)可能有25%的漂移，逐點法測試時間較長，會使得到的曲線失真，而用X-

7、Y記錄儀測量比較快，所以，可得到比逐點法好的曲線。運行等離子體實驗輔助分析軟件，將數(shù)據(jù)文件打開。進行處理，求得電子溫度等主要參量。2、雙探針法實驗方法與單探針法相同，同樣可用逐點記錄和用X-Y函數(shù)記錄儀測量。五數(shù)據(jù)處理1. 單探針法（1）實驗參數(shù)探針直徑d(mm0.45探針軸向間距(mm30.00放電管內(nèi)徑(mm6.00平行板面積(mm228.00平行板間距(mm4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm200.00亥姆霍茲線圈間距(mm100.00亥姆霍茲線圈匝數(shù)400放電電流(mA90探針序號1取樣電阻(1000表1 單探針實驗參數(shù)（2）伏安特性曲線由實驗所得數(shù)據(jù)作得等離子體的伏安特性曲線如圖圖1 單

8、探針伏安特性曲線I-U（2）lnI-U曲線根據(jù)I-U曲線作出lnI-U曲線如圖圖2 單探針lnI-U曲線在曲線左側(cè)和右側(cè)分別取點，作出第一切線和第二切線，讀出切線的交點所在橫坐標(biāo)從伏安特性曲線中可以讀出，對應(yīng)的電流為由第一切線可知由此可求出電子溫度已知Te可以求出電子速度Ve我們也可以求出電子密度電子的平均動能為（3）與計算機結(jié)果的比較參量計算機計算結(jié)果手動計算結(jié)果誤差表2 單探針實驗結(jié)果比較可以看到，手動計算的結(jié)果和計算機計算的結(jié)果在數(shù)量級上是一致的，誤差的范圍也不大。唯一的例外是電子密度ne的值偏差較大，原因可能是在取兩個切點的時候具有任意性，使得I0的值偏差較大。2. 雙探針法（1）實驗

9、參數(shù)探針直徑(mm0.45探針軸向間距(mm30.00放電管內(nèi)徑(mm6.00平行板面積(mm28.00平行板間距(mm4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm200.00亥姆霍茲線圈間距(mm100.00亥姆霍茲線圈匝數(shù)400放電電流(mA90取樣電阻(1000表3 雙探針實驗參數(shù)（2）伏安特性曲線由實驗數(shù)據(jù)作出雙探針伏安特性曲線如圖圖3 雙探針I(yè)-U曲線在曲線的左右兩側(cè)作出兩條切線，以切線的縱截距作為飽和電流，則有知曲線在U=0處的斜率為那么則電子溫度為取飽和電流為平均值設(shè)管中所充為氬氣，則有M=40u，知S=8mm2，則電子密度為（3）與計算機結(jié)果的比較參量計算機計算結(jié)果手動計算結(jié)果誤差表4 雙探

10、針實驗結(jié)果比較由比較結(jié)果可知，手動計算結(jié)果和計算機計算結(jié)果數(shù)量級基本一致，同時也存在誤差，原因可能是作切線時所取的切點不同，而使飽和電流值也不盡相同。和單探針的結(jié)果相比較也可以發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)果在數(shù)量級上也是一致的，鑒于實驗的精確度的限制，和等離子體本身的不穩(wěn)定性，這樣的結(jié)果還是比較符合預(yù)期的。六思考題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）帶正電的和帶負電的粒子密度幾乎相等；（3）宏觀上是電中性的。2. 等離子體有哪些主要參量？答: （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

11、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。3探針法對探針有什么要求?答：（1）探針具有較高的熔點，保證其不會在放電過程中熔化。（2）探針化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，避免與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（3）探針線度適中：要小于離子和電子的自由程以減小對等離子體的干擾。特別是對于雙探針法時，兩個探針應(yīng)該垂直的放置于放電電流的方向，使得這兩個探針的電位盡量相同。（4）抗干擾能力強。探針必須是電的良導(dǎo)體，在高溫的等離子氣體中仍然要保持電的良導(dǎo)體的特性。附

12、錄一 計算機計算結(jié)果1. 單探針實驗參數(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 = 30.93 VI0 =4009.32 uAtg= 0.84 Te = 1.39E+004 KVe = 7.32E+005 m/sNe = 8.60E+017 n/m3Ee = 2.87E-019 J2. 雙探針實驗參數(shù):探針直徑(mm： 0.45探針軸向間距(mm： 30.00放電管內(nèi)徑