實驗十氣體放電中等離子體的研究

1、云南大學(xué)物理實驗教學(xué)中心實驗報告課程名稱：普通物理實驗 實驗項目：實驗十 氣體放電中等離子體的研究 學(xué)生姓名：馬曉嬌 學(xué)號：20131050137 物理科學(xué)技術(shù) 學(xué)院 物理 系 2013 級 天文菁英班 專業(yè)成績指導(dǎo)老師：何俊 試驗時間：2015 年 10 月 16 日 12 時 00 分至 2 時 00 分實驗地點：物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院實驗類型：教學(xué) (演示 驗證 綜合 設(shè)計) 學(xué)生科研 課外開放 測試 其它 一、引言隨著溫度的不斷升高,構(gòu)成氣體分子的原子將發(fā)生分裂,形成為獨立的原子,如氮分子()會分裂成兩個氮原子(N),這種過程被稱為氣體分子的離解.如果再就能一步升高溫度,原子中的電子就會從原

2、子中剝離出來,成為帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子,這個過程稱為原子的電離.當(dāng)這種電離過程頻繁發(fā)生,使電子和離子的濃度達(dá)到一定的數(shù)值時,物質(zhì)的狀態(tài)也就起了根本變化,它的性質(zhì)也就變得與氣體完全不同.為區(qū)別于固體/液體和氣體這三種狀態(tài),我們稱物質(zhì)的這種狀態(tài)為物質(zhì)的第四態(tài),又起名等離子體.電離出的自由電子總的負(fù)電離與正離子總的正電量相等.等離子體宏觀上稱電中性.等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì),它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài),其中包括離子/原子/電子和分子.等離子體是宇宙中常見的物質(zhì),在太陽/恒星/閃電中都存在等離子體,它占整個宇宙的99%.實驗中對等

3、離子體的研究是從放電開始的.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的發(fā)展為材料/能源/信息/環(huán)境空間,物理空間/地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的技術(shù)和工藝.二、實驗?zāi)康?. 了解氣體放電中等離子體的特性;2.用等離子體診斷技術(shù)測定等離子體的一些基本參量三、實驗原理（一）等離子體及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；在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負(fù)電荷局部集中，產(chǎn)生電場；電荷定向運動引起電流，產(chǎn)生磁場。 等離子體有

4、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。（二）等離子體的主要參量（1）電子溫度。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(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）軸向電場強度。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動能。（5）空間電位分布。（三）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)的壓強保持在10

5、102Pa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(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)。（四）等離子體診斷 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(yīng)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

6、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所示。對此曲線的解釋為： 圖1 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，在探針周圍形成正離子構(gòu)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(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，使探針電流為零。此時探針電位就是懸浮電

7、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-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，按玻耳茲曼分布應(yīng)為 (1)式中o

8、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) (5)其中故 (6)可見電子電流的對數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。 圖3 圖4作半對數(shù)曲線，如圖3所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度Te：              

9、                        (7)若取以10為底的對數(shù)，則常數(shù)11600應(yīng)改為5040。電子平均動能e和平均速度ve分別為： (8) (9)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： (10)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。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

10、曲線如圖4所示。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)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e： (11)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。電子密度n

11、e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。Is是正離子飽和電流。四、實驗儀器等離子體物理實驗組合儀、接線板、電腦化X_Y記錄儀和等離子體放電管。五、實驗內(nèi)容（一）單探針法1、儀器聯(lián)線如圖5所示。2.放電管放電產(chǎn)生等離子體3.運行電腦化X_Y記錄儀數(shù)據(jù)采集軟件描出U_I特性4.運行等離子體實驗輔助分析軟件求得電子溫度等主要參數(shù)。圖5（二） 雙探針法儀器聯(lián)線如圖6所示，操作過程與單探針法一致圖6六、實驗數(shù)據(jù)及處理（一）雙探針法測量時采樣電阻設(shè)定為，放電電流設(shè)定為60mA。計算機(jī)自動生成的測量結(jié)果如下。（二）雙探針法測量時采樣電阻設(shè)定為，放電電流設(shè)定為60mA。計算機(jī)

12、自動生成的測量結(jié)果如下。實驗指導(dǎo)老師簽名學(xué)生簽名實驗指導(dǎo)老師填寫1、實驗記錄是否完整準(zhǔn)確 2、有無涂改抄襲現(xiàn)象七、思考題1、氣體放電等離子體有什么特性？等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì),它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài),其中包括離子/原子/電子和分子.2、等離子體有哪些主要參量？（1）電子溫度e。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(guān)系，即與電子溫度相關(guān)聯(lián)。（2）帶電粒子密度。（3）軸向電場強度L。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動能e。（5）空間電位分布。八、習(xí)題（1

13、）探針法對探針有什么要求?對探針的一般要求是：1）電子和離子打到探針表面后被完全吸收，不會發(fā)生次級電子發(fā)射。2）探針熔點較高，不會在放電過程中熔化。3）探針不會與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4）探針的線度適中：既要明顯大于其表面的正離子鞘層的厚度，以減少正離子鞘層的厚度在測量過程中的變化造成的影響；又要小于離子和電子的自由程，減小對等離子體的干擾。另外使用雙探針法時，兩探針應(yīng)垂直于放電電流方向放置，使兩個探針?biāo)诘牡入x子體電位盡量相同。兩個探針的間距不宜過近，以免兩個探針表面的離子鞘相互干擾。（2）分析誤差原因，提出改進(jìn)措施。 從實驗數(shù)據(jù)來看，單探針法與雙探針法的測量結(jié)果存在一定差異。單探針法存在明顯的誤差。明顯的線性增大區(qū)和拐點，并且電流不能達(dá)到飽和，持續(xù)增加。其原因是離子鞘層的厚度隨P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P接近等離子體的空間電位S時，由于探針的邊緣效應(yīng)，事實上離子鞘層的厚度