氣體放電中等離子體的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告南京大學(xué)

1、南京大學(xué)物理系實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目 實(shí)驗(yàn)2.3 氣體放電中等離子體的研究姓名 朱瑛鶯 2014年4月4日 學(xué)號(hào) 111120230一、 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(kāi)始的。朗繆爾和湯克斯首先引入“等離子體”這個(gè)名稱(chēng)。近年來(lái)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(mén)，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(wèn)題提供了誘人的前景。二、 實(shí)驗(yàn)?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(cè)定等離子體的一些基本參量。三、 實(shí)驗(yàn)原理1、等離子體及其物理特性等離子體有一系列不同于普通氣體的特性

2、：（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。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(chǎng)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Ee 。（5）空間電位分布。3、稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電本實(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)。

3、當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在10-102Pa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。8個(gè)區(qū)域的名稱(chēng)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)（即正輝柱），（7）陽(yáng)極暗區(qū)，（8）陰極輝區(qū)。如圖1所示，其中正輝區(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(chǎng)強(qiáng)度很小，且沿軸向有恒定值。這使得其中帶電粒子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)勝過(guò)它們的定向運(yùn)動(dòng)。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(gè)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(shí)能量損失很小，所以電子的平均動(dòng)能比其他粒子

4、的大得多。這是一種非平衡狀態(tài)。因此，雖然電子溫度很高（約為105），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。圖13. 等離子體診斷測(cè)試等離子體的方法被稱(chēng)為診斷。等離子體診斷有探針?lè)ǎ魻栃?yīng)法，微波法， 光譜法等。本次實(shí)驗(yàn)中采用探針?lè)āＬ结樂(lè)ǚ謫翁结樂(lè)ê碗p探針?lè)?。?）單探針?lè)?。單探針?lè)▽?shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。圖2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(yáng)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?lè)蔡匦郧€，如圖3所示。對(duì)此曲線的解釋為：探針是封入等離子體中的一個(gè)小的金屬電極（其形

5、狀可以是平板形、圓柱形、球形）。以放電管的陽(yáng)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?lè)蔡匦郧€，如圖2所示。對(duì)此曲線的解釋為：圖2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?chē)纬烧x子構(gòu)成的空間電荷層，它把探針電場(chǎng)屏蔽起來(lái)。等離子區(qū)中的正離子只能靠熱運(yùn)動(dòng)穿過(guò)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(guò)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，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

6、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?chē)臍怏w也被電離，使探極電流又迅速增大，甚至燒毀探針。由單探針?lè)ǖ玫降姆蔡匦郧€，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，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

7、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： 得探針上的電子電流：其中取對(duì)數(shù)其中故可見(jiàn)電子電流的對(duì)數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。圖4作半對(duì)數(shù)曲線，如圖4所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度Te： 電子平均動(dòng)能e和平均速度ve分別為：式中e為電子質(zhì)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?lè)āｋp探針?lè)ㄔ韴D如圖5圖5雙探針?lè)ㄊ窃诜烹姽苤醒b兩根探針，相隔一段距離L。雙探針?lè)ǖ?/p>

8、伏安特性曲線如圖6所示。在坐標(biāo)原點(diǎn)，如果兩根探針之間沒(méi)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(shuō)來(lái)，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。圖6雙探針?lè)ㄓ幸粋€(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(guò)下式可求得電子溫度e： 式中為電子電荷，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。是附近伏安特性曲線斜率。電子密

9、度ne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。Is是正離子飽和電流。由雙探針?lè)蓽y(cè)定等離子體內(nèi)的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度L。一種方法是分別測(cè)定兩根探針?biāo)谔幍牡入x子體電位1和2，由下式得式中l(wèi)為兩探針間距。另一種方法稱(chēng)為補(bǔ)償法，接線如圖6所示。當(dāng)電流表上的讀數(shù)為零時(shí)，伏特表上的電位差除以探針間距L，也可得到L。圖7四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)用等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)組合儀)、接線板和等離子體放電管。放電管的陽(yáng)極和陰極由不銹鋼片制成，管內(nèi)充汞或氬。實(shí)驗(yàn)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)： 8.00平行

10、板間距(mm)： 4.00放電電流(mA)： 90單探針序號(hào)： 1取樣電阻值()： 10001.單探針?lè)y(cè)等離子體參量本實(shí)驗(yàn)采用的是電腦化-記錄儀和等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件，測(cè)量伏安特性曲線，算出等離子體參量。實(shí)驗(yàn)接線圖如下圖8接好線路并檢查無(wú)誤后，使放電管放電，測(cè)量時(shí)采樣電阻設(shè)定為，放電電流設(shè)定為90mA，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行電腦化-記錄儀數(shù)據(jù)采集軟件，隨著探針電位自動(dòng)掃描，電腦自動(dòng)描出-特性曲線，將數(shù)據(jù)保存。用origin作圖9如下：圖9在做半對(duì)數(shù)曲線如圖10：圖10做切線，找交點(diǎn)，如圖11：圖11讀出交點(diǎn)坐標(biāo)為X=6.25，Y=1.1978，即U=6.25 V，I=101.1978=15.7

11、69 mA,帶入公式;0.44而導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，有結(jié)果為：U0 = 3.64 VI0 =16291.70 uAtg= 1.05 Te = 1.11E+004 KVe = 6.54E+005 m/sNe = 3.91E+018 n/m3Ee = 2.29E-019 J可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果有些微差別，但是數(shù)量級(jí)并沒(méi)有發(fā)生改變。2雙探針?lè)ㄓ米詣?dòng)記錄法測(cè)出雙探針?lè)蔡匦郧€，求e和e。雙探針?lè)▽?shí)驗(yàn)方法與單探針?lè)ㄏ嗤泳€圖如圖12所示。圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入origin里作圖13，如下：圖13用origin對(duì)曲線進(jìn)行Boltzmann擬合，如圖14：圖14擬合后的參數(shù)有：可以讀出，A1=-0.67，A2=0.7

12、5，即I1=670 uA,I2=750 uA。實(shí)驗(yàn)中用標(biāo)準(zhǔn)分析軟件得出的結(jié)果為：I1 = 724.35 uAI2 = 624.22 uAtg= 2.7E-004Te = 1.42E+004 KNe = 3.07E+017 n/m3可以看出I1和I2在同一個(gè)數(shù)量級(jí)且相差不大。而且雙探針?lè)y(cè)出的電子溫度與單探針?lè)ㄒ蔡幱谕粋€(gè)數(shù)量級(jí)。五、 誤差分析單探針?lè)ㄅc雙探針?lè)y(cè)出的數(shù)據(jù)在數(shù)量級(jí)上是一致的。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中和并不能達(dá)到飽和，因此軟件對(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I1和I2。所以在取點(diǎn)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大誤差。觀察圖像發(fā)現(xiàn)和的誤差均在正負(fù)10%

13、左右，分析公式可計(jì)算誤差范圍為，其中，得相對(duì)誤差為-10%-10%，可見(jiàn)雙探針?lè)ù蟠蠼档土藢?shí)驗(yàn)誤差。若用玻爾茲曼函數(shù)擬合法，更加降低實(shí)驗(yàn)誤差。雙探針?lè)ǖ膬?yōu)點(diǎn)：雙探針?lè)ú恍枰獏⒖茧娢唬芊烹娤到y(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?lè)ǖ膬?yōu)點(diǎn)：?jiǎn)翁结樂(lè)梢酝ㄟ^(guò)伏安特性曲線得到雙探針?lè)o(wú)法獲得懸浮電位及空間電位。由數(shù)據(jù)處理可以看到單探針?lè)ǖ恼`差較大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所得圖10沒(méi)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)閱翁结樂(lè)ㄒ驗(yàn)樘结樀狞c(diǎn)位要以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，而且一部分放電電流會(huì)對(duì)談及電流有所貢獻(xiàn)，造成探

14、極電流過(guò)大和特性曲線失真。對(duì)于雙探針?lè)?，流到探針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。但是我們?nèi)稳豢梢钥闯觯瑹o(wú)論是但探針?lè)ㄟ€是雙探針?lè)?，?jì)算出的數(shù)據(jù)都在同一數(shù)量級(jí)上。六、 思考題1、氣體放電中的等離子體有什么特征？等離子體(又稱(chēng)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(shuō)，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

15、的和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。（3）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(dòng)，等離子體局部會(huì)偏離電中性。電荷之間的庫(kù)侖相互作用，使這種偏離電中性的范圍不能無(wú)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(chēng)為德拜長(zhǎng)度D。當(dāng)系統(tǒng)尺度LD時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)電中性，當(dāng)LD時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)非電中性。2、等離子體有哪些主要的參量？描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度e。（2）帶電粒子密度。（3）軸向電場(chǎng)強(qiáng)度L。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。此外，由于等離子體中帶電粒子間的相互作用是長(zhǎng)程的庫(kù)侖力，使它們?cè)跓o(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之外，能產(chǎn)生某些類(lèi)型的集體運(yùn)動(dòng)，如等離子振蕩，其振蕩頻率Fp稱(chēng)為朗繆爾頻率或等離子體頻率。電子振蕩時(shí)輻射的電磁波稱(chēng)為等離子體電磁輻射。3、探針?lè)▽?duì)探針有什么要求？（1）探針必須要有較高的熔點(diǎn)，由于在電子溫度比較高，玻璃管里的溫度比較高，所以探針必須要要較高的熔點(diǎn)，防止探針在高溫下融化。；（2）探針材質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，在高溫下要求探針不易發(fā)生化學(xué)變化。（3）抗干擾能力強(qiáng)。探針必須是電的良導(dǎo)體，在高溫的等離子氣體中任然要保持電的良導(dǎo)體的特性。七、 參考文獻(xiàn)1