氣體放電等離子體特性測量I_V曲線不對稱性的研究

1、 物理實(shí)驗(yàn)第26卷第7期P H YSICS EXPERIM EN TA TION 2006年7月Vol. 26No. 7J ul. ,2006氣體放電等離子體特性測量I 2V 曲線不對稱性的研究張洪志, 崔海峰, 姚斌(吉林大學(xué)物理學(xué)院, 吉林長春130021摘要:利用氣體放電雙探針法研究了等離子體的I 2V 曲線中的電流I 相對于電壓V 軸交點(diǎn)的不對稱性, 并提出2種可能的解釋:一認(rèn)為是由于兩探針表面積不同引起的; 二認(rèn)為是由于探針?biāo)谔幍入x子體電位不等引起的. 本文利用儀器的工藝誤差和調(diào)換放電管電壓的方法, 對提出的2種可能原因分別進(jìn)行驗(yàn)證, 并指出第二種解釋的合理性, 并對其進(jìn)行了理論分

2、析.關(guān)鍵詞:氣體放電; 等離子體; 雙探針; 放電電壓中圖分類號:O461.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100524642(2006 072003421引言一, 力支配, . . 因而跟固體、液體、氣體相比, 集態(tài), 因宏觀呈電中性體, 因此稱之為等離子體1. 等離子體廣泛地存在于自然界中. 等離子體在工業(yè)上具有十分廣闊的應(yīng)用, 如在切割、焊接和噴涂以及制造各種新型的電光源與顯示器; 在受控核聚變等方面有著廣泛的應(yīng)用. 因此, 目前對其特性的研究也成為熱點(diǎn).本實(shí)驗(yàn)所研究的是直流輝光放電等離子體, 在放電管中, 從陰極到陽極分為阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極暗區(qū)

3、和陽極輝光區(qū). 其中, 前3個(gè)區(qū)總稱為陰極位降區(qū), 大部分源電壓在該區(qū)下降. 從陰極位降區(qū)發(fā)射出來的電子將與負(fù)輝區(qū)中的原子或分子發(fā)生碰撞, 使其激發(fā)或電離. 正柱區(qū)是我們研究的等離子區(qū), 其特點(diǎn)是:氣體高度電離, 電場強(qiáng)度沿軸向有恒定值. 其輻射通量密度、電位、場強(qiáng)沿放電管長L 的分布如圖1所示2.等離子體的特性參量主要有:等離子體密度、電子溫度、德拜常數(shù)、電子平均動能、空間電位分布等 .圖2實(shí)驗(yàn)原理電路圖1. 阿斯頓暗區(qū)21陰極輝光區(qū)31陰極暗區(qū)41負(fù)輝區(qū)51法拉第暗區(qū)61正柱區(qū)71陽極暗區(qū)81陽極輝光區(qū)圖1等離子體放電區(qū)域及特征等離子體參量的診斷通常采用郎繆爾雙探針法(實(shí)驗(yàn)原理電路如圖2所

4、示 : 在氣體等離子體收稿日期:2005205231; 修改日期:2006204221作者簡介:張洪志(1981- , 男, 內(nèi)蒙古開魯人, 學(xué)士, 從事激光物理方向研究. 指導(dǎo)教師:崔海峰(1951- , 男, 吉林四平人, 吉林大學(xué)物理學(xué)院副教授, 研究方向?yàn)殡姶艌雠c微波技術(shù)及實(shí)驗(yàn)教學(xué). 第7期張洪志, 等:氣體放電等離子體特性測量I 2V 曲線不對稱性的研究35放電管靠近陽極附近正柱區(qū)裝有2個(gè)懸浮的探針, 兩探針間電壓能夠調(diào)節(jié), 利用測得的放電管處于穩(wěn)定狀態(tài)下的兩探針間的I 2V 特性曲線, 可以計(jì)算出電子密度和電子溫度, 并進(jìn)而求出其余各參量3. 因此, 對探針I(yè) 2V 曲線的研究具有

5、重要意義.如果2個(gè)探針是完全相同的(即形狀和表面積都相同 , 而它們所處的局部等離子體電位也是均勻的, 且具有相同的參量和空間電位, 它的伏安特性曲線將是正負(fù)對稱的4如圖3(a 所示, 但實(shí)驗(yàn)測得的I 2V 曲線通常并不對稱如圖3(b 所示, 這種不對稱有兩方面:一是曲線與V 軸交點(diǎn)不在原點(diǎn), 這說明兩探針?biāo)诘入x子體空間位置電位不同, 所以當(dāng)兩探針間外加電壓為0時(shí), 電流并不為03; 二是當(dāng)具有相同V 時(shí)(從I =0時(shí)算I 2, 稱為曲線與V 軸交點(diǎn)不對稱. 起 , I 1對第二種不對稱性提出2種可能的解釋1 兩探針的表面積不同. , 壓時(shí), , 使探針間電流不同. , . 2 由于兩探針處

6、在等離子體的不同空間電位上, 使得當(dāng)探針間外加電壓為0時(shí), 探針回路電流并不為0. 本文通過實(shí)驗(yàn)對此進(jìn)行討論 .2實(shí)驗(yàn)思想及結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)條件及參量:壓強(qiáng)p 100150Pa , 放電氣體為N 2, 探針的表面積平均值A(chǔ) =0. 1±0. 01mm 2, 放電管直徑R =35±1mm , 放電管長度L =280±3mm , 探針間距離D =18±1mm , 管壁溫度t =25, 放電電壓V =590610V , 放電電流I =1. 5±0. 1mA. 2. 1交點(diǎn)不對稱性與探針表面積的關(guān)系由于放電管上的探針面積不可改變, 理論上兩探針面積應(yīng)相等,

7、 但實(shí)際工藝上必然會存在大小差異, 我們針對這種差異, 6臺儀器(吉 I 2V 曲線, 如果交, 因此實(shí)驗(yàn)所得到的曲線I 2和I 1I 2兩種情況, 但I(xiàn) 1I 2V 曲線(圖4 可知:I 1<I 2; 1 在相同V 時(shí),2 探針電路電流為0時(shí), 探針間電壓負(fù)值. 因此, 可得出結(jié)論:曲線的不對稱性并不是由探針表面積不同所決定(至少不是起主要作用 . 2. 2I 2V 曲線對交點(diǎn)不對稱性與探針處等離子(a 理想I 2V 曲線體電位的關(guān)系為驗(yàn)證I 2V 曲線對交點(diǎn)的不對稱性是兩探針處等離子體電位不等引起的, 我們用雙探針法測出一組數(shù)據(jù), 做出其I 2V 曲線. 在放電電壓、壓強(qiáng)不變的情況下

8、, 改變放電管電壓極性, 測出其I 2VI 2, 則說明其點(diǎn)曲線. 如果得到的曲線是I 1不對稱是由兩探針處等離子體電位不同引起的. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.從圖5中看出:1 當(dāng)探針外電路電流為0時(shí), (a 圖探針間電壓負(fù)值, (b 圖探針間電壓為正值.I 2, (b 圖I 1I 2即與2 (a 圖I 1(a 圖相反.3理論分析雙探針法測量中, 當(dāng)外電路電流穩(wěn)定時(shí), 則由等離子體空間進(jìn)入(或流出 探針1的電子(離子 流應(yīng)等于由探針2流出(進(jìn) 的電子(離子 流(圖6 , 因此, 若確定電流I 值, 只需考慮其中一個(gè)探針的情況即可. 為清晰表達(dá)分步建立模型如下:1 在未插入探針時(shí)(圖7 , 等離子體正

9、柱區(qū)(b 實(shí)驗(yàn)I 2V 曲線圖3雙探針I(yè) 2V 特性曲線 36物理實(shí)驗(yàn)第26卷(a 第1 臺儀器( b 第2 臺儀器( c 第3 臺儀器(d 第4臺儀器(e 第5臺儀器(f 第6臺儀器圖 4不同探針面積的I 2 V 曲線(a 放電管電壓正接(b 放電管電壓反接圖5放電管電壓正、反接的I 2V 曲線電子與正離子密度相等, 即n e =n i , 電子向正極移動, 正離子向負(fù)極移動, 在距離圓柱中軸一定距離內(nèi)可近似認(rèn)為正、負(fù)離子均勻分布. 其中還有未被電離的中性粒子. 2 當(dāng)置入一探針時(shí)(如圖8 , 由于等離子體中v e >v i , 電子將先于離子到達(dá)探針表面, 因此探針會帶負(fù)電. 負(fù)電荷

10、積累產(chǎn)生電場, 將排斥電子而吸引離子. 最后電子和離子以相等的流密度擴(kuò)散(即雙極性擴(kuò)散 , 使探針電位置不再改變. 這樣就在探針周圍就形成一個(gè)負(fù)電位的等離子鞘 第7期張洪志, 等:氣體放電等離子體特性測量I 2V 曲線不對稱性的研究37電流變化如下:探針2鞘層隨探測電壓的增加而減小, 探針電流I 增加(如圖12曲線bc 段 . 當(dāng)2處等離子體電位與探針電位相等時(shí), 鞘層消失. 此時(shí)探測電流由等離子體電流密度和探針表面積決定(曲線c 點(diǎn) . 探針電壓繼續(xù)增加時(shí), 探針2將吸引周圍電子使探測電流繼續(xù)緩慢增加(曲線cd 段 , 當(dāng)探測電壓增加到某一值時(shí), 使探針2具圖6 等離子體穩(wěn)定外電流條件圖7

11、不加探針時(shí)的正負(fù)電荷的運(yùn)動有足夠電壓加速周圍電子使周圍中性粒子繼續(xù)電離, 此時(shí)探測電流急劇增加(曲線de 段 .圖 11圖8單探針的離子鞘層. 該鞘層保護(hù)等離子體不受探針影響2.3 當(dāng)置入2個(gè)探針時(shí)(, 相當(dāng)于2, 電位高于探針, 2處, 因此, 2, 在探針2處聚積更多電子數(shù), 所形成鞘層半徑5R 2>R 1 .圖12正向偏壓時(shí)的I 2V 曲線6 探針間置一反向電壓(與放電電壓極性相反 時(shí)(見圖13 , 隨探測電壓的負(fù)向增大, 探針2圖9雙探針離子鞘半徑比較4 若將兩探針直接用導(dǎo)線相連(未加外電源,如圖10 , 由于探針2所帶負(fù)電量要大于探針1所帶負(fù)電量, 電子將由2沿導(dǎo)線流向1, 由

12、于此時(shí)兩探針電位相等, 使得2探針鞘層半徑減小, 1探針鞘層半徑增大, 這樣探針2捕獲電子能力強(qiáng)于探針1, 于是在探針回路形成電流I (選等離子體放電電流方向?yàn)檎?, 方向如圖10所示. 該電流對應(yīng)I 2V 曲線中V =0處電流值 .鞘層逐漸增大, 使探針2接收電子的能力減小6, 探測電流I 減小(曲線ba 段 , 當(dāng)?shù)竭_(dá)某一臨界電位V a (a 點(diǎn) 時(shí), 電流為0, 這時(shí)探針電壓等于兩探針處等離子體電位差V p . 繼續(xù)負(fù)向增大, 探針1電位不斷升高, 鞘層半徑逐漸減小, 電子由探針1流進(jìn), 電流反向增大(曲線af 段 . 當(dāng)達(dá)到某一值時(shí), 探針1鞘層消失(曲線f 點(diǎn) , 此后與5 中探針2

13、變化情況類似.圖13反向偏壓時(shí)的探針電流圖10雙探針直接相連時(shí)的外電流7 可以把整個(gè)探針測量過程看作是以4 情5 當(dāng)在兩探針之間加一正向偏置時(shí)(與放電況為背景, 則可以看出實(shí)際所得曲線比理想曲線向I 軸正向移動, 因此不難理解實(shí)驗(yàn)中所得曲線不對稱性出現(xiàn)的原因.以上分步分析了在放電點(diǎn)壓正向時(shí), 所得探電壓極性相同, 如圖11 , 兩探針懸浮, 選探針1為參考點(diǎn), 探測電壓在從0增大時(shí), 探針2鞘層及 38物理實(shí)驗(yàn)社,1983. 9.第26卷測曲線情況. 當(dāng)放電管電壓反接時(shí), 與上述分析過程類似, 可分析得出圖5(b 所示情況.2徐學(xué)基, 諸定昌. 氣體放電物理M .上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1996

14、. 121126,4361.4結(jié)論由以上實(shí)驗(yàn)可知:氣體放電等離子體I 2V 曲線的交點(diǎn)不對稱性主要是由于兩探針?biāo)谔幍入x子體電位不等, 使得測得探針實(shí)際電流出現(xiàn)交點(diǎn)不對稱.3晏于模, 王魁香. 近代物理實(shí)驗(yàn)M .長春:吉林大學(xué)出版社,1995. 3035.4項(xiàng)志遴, 俞昌旋. 高溫等離子體診斷技術(shù)M .上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1982. 30.5Auciello O. 等離子體診斷(第一卷 M .鄭少白,胡建芳, 郭淑靜, 等譯. 北京:電子工業(yè)出版社,1994. 136137.6卡普卓夫H A. 氣體與真空中的電現(xiàn)象M .北參考文獻(xiàn):1朱世堯. 等離子體物理基礎(chǔ)M .北京:科學(xué)出版京:高等

15、教育出版社,1958. 294.Investigations on I 2V curve asymmetry of dischargeZHAN G Hong 2zhi , Bin(Depart ment of , 130021, China Abstract :V t in gas discharge is measured using dual probe met hod , and an The asymmetry may be caused by t he different surface area of t he two p robes by t he different elect ric potential of t he t