氣體放電中等離子體的研究

1、氣體放電中等離子體的研究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。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。實驗原理1.等離子體及其物理特性等離子體(又稱等離子區(qū)定義為包含大量正負(fù)帶電粒子、而又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣體。也就是說，其中正負(fù)電荷密度相等，整體上呈現(xiàn)電中性。等離子體可分

2、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(fù)電的粒子密度幾乎相等。（）宏觀上是電中性的。雖然等離子體宏觀上是電中性的，但是由于電子的熱運(yùn)動，等離子體局部會偏離電中性。電荷之間的庫侖相互作用，使這種偏離電中性的范圍不能無限擴(kuò)大，最終使電中性得以恢復(fù)。偏離電中性的區(qū)域最大尺度稱為德拜長度D。當(dāng)系統(tǒng)尺度LD時，系統(tǒng)呈現(xiàn)電中性，當(dāng)LD時，系統(tǒng)可能出現(xiàn)非電中性。2.等離子體的主要參量描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度e。它是等離子體的一個主

3、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e，正離子密度為i，在等離子體中ei。（）軸向電場強(qiáng)度L。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（）電子平均動能e。（）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侖力，使它們在無規(guī)則的熱運(yùn)動之外，能產(chǎn)生某些類型的集體運(yùn)動，如等離子振蕩，其振蕩頻率Fp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。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112P時，

4、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(qiáng)、電位和場強(qiáng)分布如圖2.3-1所示。8個區(qū)域的名稱為（1）阿斯頓區(qū)，（2）陰極輝區(qū)，（）陰極暗區(qū)，（）負(fù)輝區(qū)，（）法拉第暗區(qū)，（）正輝區(qū)(即正輝柱，（）陽極暗區(qū)，（）陽極輝區(qū)。正輝區(qū)是我們感興趣的等離子區(qū)。其特征是：氣體高度電離；電場強(qiáng)度很小，且沿軸向有恒定值。這使得其中帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動勝過它們的定向運(yùn)動。所以它們基本上遵從麥克斯韋速度分布律。由其具體分布可得到一個相應(yīng)的溫度，即電子溫度。但是，由于電子質(zhì)量小，它在跟離子或原子作彈性碰撞時能量損失很小，所以電子的平均動能比其他粒子的大得多。這是

5、一種非平衡狀態(tài)。因此，雖然電子溫度很高（約為15），但放電氣體的整體溫度并不明顯升高，放電管的玻璃壁并不軟化。                             4.等離子體診斷測試等離子體的方法被稱為診斷，它是等離子體物理實驗的重要部分。等離子體診斷有（1）探針法，（2）霍爾效應(yīng)法，（）微波法，（）光譜法，等等

6、。下面介紹前兩種方法。（1）探針法。探針法測定等離子體參量是朗繆爾提出的，又稱朗繆爾探針法。分單探針法和雙探針法。                             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，其接法如圖2.3-2所示。以放電管的陽極或陰極作為參考點，改變探

7、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2.3-3所示。對此曲線的解釋為：在段，探針的負(fù)電位很大，電子受負(fù)電位的拒斥，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，即所謂“正離子鞘”，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。到了點，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電

8、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。對于曲線的段，由于電子受到減速電位（P）的作用，只有能量比（P）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，則減速電場中靠近探針表面處的電子密度e，按玻耳茲曼

9、分布應(yīng)為 （2.3-1）式中0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)。在電子平均速度為時，在單位時間內(nèi)落到表面積為的探針上的電子數(shù)為：                                     

10、60;                           （2.3-2）將（2.3-1）式代入（2.3-2）式得探針上的電子電流：                 &#

11、160;                  （2.3-3）其中                                &#

12、160;                             （2.3-4） 對（2.3-3）式取對數(shù)其中故 （2.3-5）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2.3-4所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度：      &

13、#160;                                                 &

14、#160;                          （2.3-6）若取以1為底的對數(shù)，則常數(shù)11應(yīng)改為。電子平均動能e和平均速度分別為： (2.3-7 （2.3-8）式中e為電子質(zhì)量。由（2.3-4）式可求得等離子區(qū)中的電子密度： （2.3-9）式中I0為P時的電子電流，為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積。雙探針法。單探針法有一定的局限性，

15、因為探針的電位要以放電管的陽極或陰極電位作為參考點，而且一部分放電電流會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2.3-5 所示。熟悉了單探針法的理論后，對雙探針的特性曲線是不難理解的。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。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)

16、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： （2.3-10）式中為電子電荷，為玻耳茲曼常數(shù)，ii1和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。是附近伏安特性曲線斜率。電子密度e為： （2.3-11）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。is是正離子飽和電流。由雙探針法可測定等離子體內(nèi)的軸向電場強(qiáng)度L。一種方法是分別測定兩根探針?biāo)谔幍牡入x子體電位1和2，由下式得 （2.3-12）式中l(wèi)為兩探針間距。另一種方法稱為補(bǔ)償法，接線如圖2.3-6所示。當(dāng)電流表上的讀數(shù)為零時，伏特表上的電位差除以探

17、針間距L，也可得到L。 （2）霍爾效應(yīng)法在等離子體中“懸浮”一對平行板，在與等離子體中帶電粒子漂移垂直的方向加磁場，保持磁場方向、漂移方向和平行板法線方向三者互相垂直，如圖2.3-7所示，則具有電荷和漂移速度L的電子在磁場中受到的洛侖茲力為FLL×式中為磁感應(yīng)強(qiáng)度。這個作用力使電子向平行板法線方向偏轉(zhuǎn)，從而建立起霍爾電場，這個電場對電子也將產(chǎn)生作用力Fe·H當(dāng)磁力和電場力平衡時，有 （2.3-13）式中是平行板間距，H是霍爾電壓。實驗證明，對弱磁場，霍爾電壓和磁場之間保持線性關(guān)系，但（2.3-13）式要修改為     

18、60;                                                  &#

19、160;          （2.3-14）設(shè)電流密度為，則通過放電管的電流為：i設(shè)是放電管半徑，則ie（）L·2在只考慮數(shù)量級時，可假定e（）是常數(shù)，則有ie2L （2.3-15）由（2.3-14）式和（2.3-15）式，求得電子密度 （2.3-16）亥姆-霍茲線圈軸中央的磁感應(yīng)強(qiáng)度為，式中0為真空磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，i為線圈電流，R為線圈半徑。實驗儀器本實驗用等離子體物理實驗組合儀(以下簡稱組合儀、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，霍爾電極(平行板用不銹鋼片或鎳片制

20、成。管內(nèi)充汞或氬?；魻栃?yīng)法測量時外加一對亥姆霍茲線圈。有關(guān)的實驗參數(shù)如下，探針面積，0.45探針軸向間距放電管內(nèi)徑（氣體放電柱直徑要稍小些，通常?。┢叫邪迕娣e：×（）平行板間距：亥姆霍茲線圈直徑：亥姆霍茲線圈間距：亥姆霍茲線圈匝數(shù)，匝(單只組合儀和接線板的用法參看該儀器使用說明書。還可以配-函數(shù)記錄儀，或者用電腦化X-Y記錄儀，自動描出伏安特性曲線。實驗內(nèi)容1.單探針法測等離子體參量進(jìn)行單探針法診斷實驗可用三種方法：一種方法是逐點改變探針電位,記錄探針電位和相應(yīng)的探針電流數(shù)值，然后在直角坐標(biāo)紙和半對數(shù)紙上繪出單探針伏安特性曲線。另一種方法用-函數(shù)記錄儀直接記錄探針電位和探針電流，自

21、動描繪出伏安特性曲線。第三種方法是電腦化-記錄儀和等離子體實驗輔助分析軟件，測量伏安特性曲線，算出等離子體參量。單探針法實驗原理圖如圖2.3-8所示。（）逐點記錄法的操作步驟大致如下：按圖2.3-9連接線路。接通儀器主機(jī)總電源、測試單元電源、探針單元電源和放電單元電源，顯示開關(guān)置“電壓顯示”，調(diào)節(jié)輸出電壓使之為以上，再把顯示開關(guān)置“電流顯示”，按“高壓觸發(fā)”按鈕數(shù)次，使放電管觸發(fā)并正常放電，然后，將放電電流調(diào)到之間的某一值。將探針單元輸出開關(guān)置“正向輸出”，調(diào)節(jié)“輸出電壓電位器”旋鈕，逐點記錄測得的探針電壓和探針電流，直到完成單探針的-特性曲線的測量。（）用-函數(shù)記錄儀測量按圖2.3-10接線

22、路，接通儀器主機(jī)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-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)記錄儀自動記錄單探針的-特性曲線。由于等離子體電位在幾分鐘內(nèi)可能有的漂移，逐點法測試時間較長，會使得到的曲線失真，而用-記錄儀測量比較快，所以，可得到比逐點法好的曲線。由逐點記錄和自動描繪的伏安特性曲線上求出電子溫度、電子密度、平均動能。（）用電腦化-記錄儀測量線路與圖2.3-10基本相同，只不過用電腦化-記錄儀代替普通

23、的函數(shù)記錄儀，微機(jī)內(nèi)已安裝數(shù)據(jù)采集軟件以及等離子體實驗輔助分析軟件，這些軟件的使用方法請參閱儀器使用說明書，或者軟件的在線幫助。接好線路并檢查無誤后，使放電管放電，啟動微機(jī)，運(yùn)行電腦化-記錄儀數(shù)據(jù)采集軟件，仿照步驟（），隨著探針電位自動掃描，電腦自動描出-特性曲線，將數(shù)據(jù)保存。運(yùn)行等離子體實驗輔助分析軟件，將數(shù)據(jù)文件打開,進(jìn)行處理，求得電子溫度等主要參量。2.雙探針法用逐點記錄法和自動記錄法測出雙探針伏安特性曲線，求e和e。雙探針法實驗原理圖如圖2.3-11所示。實驗方法與單探針法相同，同樣可用逐點記錄和用-函數(shù)記錄儀測量，接線圖如圖2.3-12和2.3-13所示。                              值得注意的是雙探