等離子體實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、氣體放電中等離子體的研究摘要: 本文闡述了氣體放電中等離子體的特性及其測(cè)試方法，分別使用單探針法和雙探針法測(cè)量了等離子體參量，并簡(jiǎn)要介紹了等離子體的應(yīng)用,最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。關(guān)鍵詞:等離子體、單探針、雙探針(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(duì)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）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1，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(cè)定等離

2、子體的一些基本參量。（三）實(shí)驗(yàn)原理 1，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(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，正離子密度為，在等離子體中。（3）軸向電場(chǎng)強(qiáng)度。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

3、。（5）空間電位分布。本實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)分布如圖一所示。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)。圖一 輝光放電的光強(qiáng)、電位和場(chǎng)強(qiáng)分布2，單探針與雙探針法的測(cè)量原理測(cè)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

4、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(cè)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，如圖二所示。對(duì)此曲線的解釋為：圖二 單探針伏安特性在段，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(chǎng)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。過了點(diǎn)，隨著探針負(fù)電位減小，電場(chǎng)對(duì)電子的拒斥作用減弱，使一些快速電子能夠克服電場(chǎng)拒斥作用，抵達(dá)探極，

5、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(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(duì)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(shí)，正離子鞘消失，全部電子都能到達(dá)探極，這對(duì)應(yīng)于曲線上的點(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(duì)于曲線的段，由于電子受到減速電位(p-s)的作用

6、，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(chǎng)中靠近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(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(duì)(3)式取對(duì)數(shù) (5)其中故 (6)可見電子電流的對(duì)數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。圖三 單探針的半對(duì)數(shù)曲線作半對(duì)數(shù)曲線，如圖三所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度： (7)若取以10為底的對(duì)數(shù)，則常數(shù)11600應(yīng)改為5040。電子平均

7、動(dòng)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(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(duì)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

8、趨于飽和。最大電流是飽和離子電流is1，is2。圖四 雙探針伏安特性雙探針法有一個(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(duì)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(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)

9、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)：100.00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）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1，單探針法測(cè)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。儀器聯(lián)線如圖五所示。圖五 單探針法實(shí)驗(yàn)接線圖（逐點(diǎn)記錄）測(cè)量時(shí)電阻設(shè)為750，電流設(shè)為60ma ,

10、軟件自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果如下u0 = 34.30 v tg= 0.04i0 =32730.02 ua te = 2.68e+005 kve = 3.22e+006 m/sne = 1.60e+018 n/m3 ee = 5.56e-018 j 做半對(duì)數(shù)曲線如圖六 圖六從圖六中可以看出，并沒有明顯的線性區(qū)域，與理論預(yù)測(cè)有一定的差距。為了檢驗(yàn)電腦軟件計(jì)算的是否正確，我們可以取曲線的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，不妨?。?0，ln9500）,(40,ln39450)這兩點(diǎn)。tg= （10.5827-9.159）/30=0.047te = 2.467e+005 k ve = 3.08e+006 m/sne = 1.67e+0

11、18 n/m3 ee = 5.106e-018 j上述結(jié)果與軟件所求的差別不大，基本上在一個(gè)量級(jí)內(nèi)。計(jì)算結(jié)果是值得信任的。同樣的，如果?。?0，ln19370）,(40,ln39450)這兩點(diǎn)，則有tg= （10.5827-9.8715）/20=0.036te = 3.2e+005 k ve = 3.54e+006 m/sne = 1.45e+018 n/m3 ee = 6.67e-018 j取不同的點(diǎn)對(duì)結(jié)果有一定影響，可以大概估計(jì)每個(gè)參量的誤差范圍為te 9.891043.5105 k 相對(duì)誤差為-60.1%-30%ve 1.952106- 3.647106 m/s 相對(duì)誤差為-39.3%-

12、13.2%ne 1.41018-2.6371018 n/m3 相對(duì)誤差為-12.5%-64.8%ee 2.04710-18-7.24510-18 j 相對(duì)誤差為-63.3%-30.3%可見單探針測(cè)量的誤差還是相當(dāng)大的，并且這種誤差很難通過數(shù)據(jù)處理技巧得到彌補(bǔ)。2，雙探針法測(cè)量等離子體參量 儀器聯(lián)線如圖七所示。圖七 雙探針法實(shí)驗(yàn)接線圖測(cè)量時(shí)采樣電阻設(shè)定為750 ，放電電流設(shè)定為60ma。軟件自動(dòng)計(jì)算的測(cè)量結(jié)果如下：i1 = 494.50 ua tg= 6.1e-003i2 = 437.48 ua te = 4.43e+005 kne = 1.20e+018 n/m3圖像如圖八 圖八可見單探針法與

13、雙探針法測(cè)出的數(shù)據(jù)在數(shù)量級(jí)上是一致的。需要注意的是由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中和并不能達(dá)到飽和，因此對(duì)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(duì)應(yīng)的直線，交點(diǎn)的數(shù)值分別取為和，這樣做的后果就是帶有很大的人為性，引入了誤差。我們觀察圖像發(fā)現(xiàn)和的誤差均在正負(fù)5%左右，由對(duì)稱性假設(shè)，分析公式可計(jì)算誤差范圍為-5%5%，可見與單探針測(cè)量相比，雙探針法大大降低了實(shí)驗(yàn)誤差。3，兩種方法的比較雙探針法的優(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(duì)等離子體的干擾大為減小。單探針法的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)翁结樂梢酝ㄟ^伏安特性曲線得到雙探針法無法獲得

14、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?yàn)閷?shí)驗(yàn)所得圖六沒有明顯的線性區(qū)以及飽和區(qū)，因此在計(jì)算以及確定時(shí)誤差很大。這是因?yàn)閱翁结樀碾x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(duì)于雙探針法，離子鞘層對(duì)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(shí)仍然有較大的隨機(jī)性。（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 2.帶點(diǎn)粒子密度，電子密度，正離子密度3.軸向電場(chǎng)強(qiáng)度 4.電子平均動(dòng)能5.空間點(diǎn)位分布（3）探針法對(duì)探針有什么要求?1電子和離子打到探針表面后被完全