南京大學(xué)-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一實(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。二實(shí)驗(yàn)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(fù)帶點(diǎn)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(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。它是等離子

2、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。（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)程的庫倫力，使它們?cè)跓o規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之外，能產(chǎn)生某些類型的集體運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(shí)驗(yàn)研究的是輝光放電等離子體。圖2.1 輝光放電的光強(qiáng)，點(diǎn)位和電場(chǎng)分布輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種

3、形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在時(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2.1所示。8個(gè)區(qū)域的名稱為阿斯頓區(qū)，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)，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(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。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(gè)小的金屬電極。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

4、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(duì)數(shù)和探針點(diǎn)位的關(guān)系：可見電子電流的對(duì)數(shù)和探針點(diǎn)位成線性關(guān)系，電子溫度為：電子平均動(dòng)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?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2.3所示。圖2.3 雙探針伏安特性曲線在坐標(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?/p>

5、等離子體電位稍有不同，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。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(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)儀器有等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀、接線板和等離子體放電管。四實(shí)驗(yàn)步驟本實(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

6、等離子體參量。實(shí)驗(yàn)中用了單探針法和雙探針法兩種方法。1單探針法測(cè)等離子體參量接通儀器主機(jī)總電源、測(cè)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(dòng)”，則探針電壓輸出掃描電壓，當(dāng)需要回零時(shí)，按“清零”按鈕，電壓又從零開始掃描。讓函數(shù)記錄儀自動(dòng)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(diǎn)法測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)使得到的曲線失真，而用X-Y記錄儀測(cè)量比較快，所以，可得到比逐點(diǎn)法好的曲線。運(yùn)行等離子體實(shí)驗(yàn)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

7、等主要參量。2、雙探針法實(shí)驗(yàn)方法與單探針法相同，同樣可用逐點(diǎn)記錄和用X-Y函數(shù)記錄儀測(cè)量。五數(shù)據(jù)處理1單探針法（1）實(shí)驗(yàn)參數(shù)與計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)參數(shù)列表如下：探針直徑d(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)60探針序號(hào)1取樣電阻()1000表5.1.1 單探針實(shí)驗(yàn)參數(shù)等離子體參量的計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果：U043.32VI06069.77uAtg0.36Te3220KVe1.11*106m/sNe8.5

8、9*1017/m3Ee6.67*10-19J表5.1.2 單探針實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果下面根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算等離子體參量，并與計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果做比較。（2）關(guān)系圖像由實(shí)驗(yàn)測(cè)得點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以畫出下列圖像：圖5.1.1 關(guān)系圖像圖5.1.2 關(guān)系圖像對(duì)于單探針法，需要計(jì)算出圖像左端的切線（第一切線）與右端的切線（第二切線），下面對(duì)圖像兩端分別取若干點(diǎn)進(jìn)行線性擬合以求斜率。（3）圖像的第一切線方程取左下端的10個(gè)點(diǎn)做出關(guān)系圖像，并用直線進(jìn)行擬合，把擬合得到的直線看做曲線的切線，圖像結(jié)果如下：圖5.1.3 圖像第一切線10個(gè)取樣點(diǎn)的關(guān)系圖像參數(shù)擬合結(jié)果為：參數(shù)擬合結(jié)果置信區(qū)間斜率（）0.33150.3

9、199, 0.3431截距（）-19.58-20.04, -19.13線性相關(guān)系數(shù)99.8%表5.1.3 第一切線的擬合結(jié)果所以第一切線的方程為（4）圖像的第二切線方程取右上端的10個(gè)點(diǎn)做出關(guān)系圖像，并用直線進(jìn)行擬合，把擬合得到的直線看做曲線的切線，圖像結(jié)果如下：圖5.1.4 圖像第二切線10個(gè)取樣點(diǎn)的關(guān)系圖像參數(shù)擬合結(jié)果為：參數(shù)擬合結(jié)果置信區(qū)間斜率（）0.026990.02635, 0.02764截距（）-6.245-6.281, -6.209線性相關(guān)系數(shù)99.9%表5.1.3 第二切線的擬合結(jié)果所以第二切線的方程為（5）等離子體的主要參量聯(lián)立兩切線方程可求出交點(diǎn)坐標(biāo)為，即 又，故與計(jì)算機(jī)計(jì)

10、算結(jié)果對(duì)比為：參量計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果手動(dòng)計(jì)算結(jié)果誤差表5.1.4 單探針實(shí)驗(yàn)手動(dòng)計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)計(jì)算值比較2雙探針法（1）實(shí)驗(yàn)參數(shù)與計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)參數(shù)列表如下：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)60取樣電阻()1000表5.2.1 雙探針實(shí)驗(yàn)參數(shù)等離子體參量的計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果：I1312.55 uAI2275.13 uAtg1.5*10(-4)Te11200KNe1.5*1017/m3表

11、5.2.2 單探針實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果可見雙探針法與單探針法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以兩種方法的結(jié)果可以說是基本一致。下面根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算等離子體參量，并與計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果做比較。（2）關(guān)系圖像由實(shí)驗(yàn)測(cè)得點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以畫出下列圖像圖5.2.1 關(guān)系圖像（3）等離子體參量把處附近的伏安特性曲線近似看做直線段，并近似計(jì)算其斜率取兩點(diǎn)與，故直線的斜率與計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的誤差為又飽和電流，所以與計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的誤差分別為，六誤差分析本實(shí)驗(yàn)通過記錄一系列點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算等離子體的參量，并將單探針實(shí)驗(yàn)結(jié)果與雙探針實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果分別做比較。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，單探針實(shí)驗(yàn)與雙探針實(shí)驗(yàn)

12、結(jié)果處于同一數(shù)量級(jí)，兩種方法都是可行的，但是從原理上講雙探針法的誤差更小，因?yàn)殡p探針法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。從而探針對(duì)等離子體的干擾大為減小。另外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。單探針法也有其優(yōu)點(diǎn)，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及空間電位。在確定圖像5.12.的切線方程時(shí)，取了圖像端點(diǎn)處的若干點(diǎn)，作直線擬合然后近似看做是切線，這里由于曲線并不是直線，所以用直線方程擬合時(shí)必然有一定誤差，整個(gè)圖像為一凸函數(shù)圖像，所以在左下端的擬合結(jié)果與真實(shí)切線斜率相比偏小，而右上端偏大，這就是

13、為什么的手動(dòng)計(jì)算結(jié)果比計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果要小。對(duì)于單探針法，由于整個(gè)圖像是兩段曲線在處拼接起來的，所以在的曲線斜率必然會(huì)受到影響，比較好的做法是在兩條曲線上分別取點(diǎn)計(jì)算斜率，然后求其平均值作為的曲線斜率。對(duì)于探針，離子鞘層的厚度隨增大而改變，造成探針等效表面積改變，從而使到達(dá)探針表面的電子數(shù)偏離理論值。另外當(dāng)探極電位接近等離子體的空間電位時(shí)，由于探針的邊緣效應(yīng)，事實(shí)上離子鞘層的厚度隨增大而增大，其結(jié)果是探針等效表面積增大，探針電流也持續(xù)增大，在本實(shí)驗(yàn)條件下不能達(dá)到飽和，這就造成了一定的誤差。此外要得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般應(yīng)在能產(chǎn)生輝光放電的壓強(qiáng)和放電電流范圍內(nèi)，增大壓強(qiáng)，減小放電電流，使探針離陽極較近。七思考題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(fù)電的粒子密度幾乎相等。（3）宏觀上是電中性的。（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。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