等離子體分析

1、等離子體分析摘要：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，利用單探針法和雙探針法對等離子體的一些基本參量進行了測量，并對結果進行分析。文中還簡要介紹了等離子體的發(fā)展前景。 關鍵詞：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有了較快發(fā)展，并被應用于電力工業(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，為利用受控熱核反應，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量正負帶電粒子、而

2、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。 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系，即與電子溫度相關聯(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）軸向電場強度EL。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動能E。 （5）空間電位分布。 本實驗研究的是輝光放電等離

3、子體。 輝光放電是氣體導電的一種形態(tài)。當放電管內(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)。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

4、是平板形、圓柱形、球形）。以放電管的陽極或陰極作為參考點，改變探針電位，測出相應的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關系，即探針伏安特性曲線，如圖2所示。對此曲線的解釋為： 在AB段，探針的負電位很大，電子受負電位的排斥，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

5、了C點，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，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，全部電子都能到達探極，這對應于曲線上的D點。此后電流達到飽和。如果P進一步升高，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探針。假定等離子區(qū)內(nèi)電

6、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ne，按玻耳茲曼分布應為（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)其中故可見電子電流的對數(shù)和探針電位呈線性關系。作半對數(shù)曲線，如圖3所示，由直線部分的斜率tg，可決定電子溫度Te： tg=lnIUP=ekTeTe=ektg=11600tg（K）若取以10為底的對數(shù)，則常數(shù)11600應改為5040。電子平均動能Ee和平均速度Ve分別為：式中me為電子質(zhì)

7、量。 由(4)式可求得等離子區(qū)中的電子密度：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。（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4所示。在坐標原點，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，由于兩個探針所在的等離子體電位稍有不同，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

8、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Te式中e為電子電荷，k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U=0附近伏安特性曲線斜率。電子密度ne為：式中M是放電管所充氣體的離子質(zhì)量，S是兩根探針的平均表面面積。Is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。相關的試驗參數(shù)如下： 探針直徑(mm)： 0.45 亥姆霍茲線圈直徑(mm

9、)：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、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。儀器連線如圖所示測量時采樣電阻設定為1000，放電電流設定為98mA。軟件計算得結果為U0 = 30.06 VI0 =4732.49 uAtg= 0.67 Te

10、 = 1.72E+004 KVe = 8.15E+005 m/sNe = 9.12E+017 n/m3Ee = 3.56E-019 J下圖為單探針的對數(shù)曲線圖下面進行手動計算。取圖像上（25703.44，5.36704）點所在處為第一切點求斜率得tg=0.755取（43602.2，9.12846）為第二切點，切線斜率為0.033故由兩線交點可求得I0=5848ATe=11600tg=15466（K）所以電子平均動能Ee和平均速度ve分別為Ee=1.5kTe=3.2×10-19Jve=8kTeme=7.72×105m/s所以電子密度ne為ne=4I0eSve=1.189

11、15;1018m-3上述結果與軟件求得結果相差不大。六、用雙探針法測量等離子體參量儀器連線如下圖所示測量時放電電流為90mA，取樣電阻值為1000，由軟件計算得實驗結果為I1 = 265.04 uAI2 = 267.64 uAtg= 1.3E-004Te = 1.19E+004 KNe = 1.33E+017 n/m3下圖為雙探針伏安特性圖從圖中可以明顯看出曲線可以分成三個部分。曲線兩邊各取一點做該點切線交與電流為零所對應的直線，交點的數(shù)值分別取為I1和I2。如圖取得I1=265A,I2=265A,tg=1.3×10-4故Te=ekI1×I2I2+I1dUdI=1.2

12、15;104Kne=2IseSMkTe=1.3×1017m-3七、誤差分析從上述實驗中可以看到兩種方法的優(yōu)缺點: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UF及空間電位Us。雙探針法測中，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的直線，因此在取點時仍然會產(chǎn)生較大誤差。觀察圖像可知I1,I2的誤差在正負10%左右，分析公式可計算誤差其中故相對誤差在正負10%。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，是電和熱的良導體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。 2.帶正電和帶負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Te2. 帶點粒子密度n，電子密度ne，正離子密度n