(完整版)直流輝光放電中等離子體診斷實驗指導手冊(教師用)-東北大學

1、近代物理實驗系列 - 等離子體診斷實驗實驗指導手冊 （教師用書 ）東北大學2017.6.301. 實驗目的等離子體是由中性粒子、電子、離子、光子等基本粒子組成的各向異 性運動的物質(zhì)形態(tài)，被稱為除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外物質(zhì)第四態(tài)， 等離子 體應用廣泛，也是近代物理、材料研究的重要領(lǐng)域之一。因此， 也是大學 物理以及相近專業(yè)的近代物理實驗課程的必修內(nèi)容。改變插入到放電管的 正柱區(qū)內(nèi)的朗繆爾探針的電壓（一般-100V到+ 100V變化），使之吸收等 離子體內(nèi)的離子和電子，并分析探針上的電流 I 和電壓 V 的關(guān)系可以對 等離子體進行診斷分析。本實驗的實際操作有助于更加深刻的理解老師在 課堂上講授的相關(guān)

2、理論。朗繆爾探針是研究等離子體特性的主要工具，要 求學生通過本次實驗了解朗繆爾探針的測量等離子體的基本原理；熟練測 量朗繆爾探針的 I-V 特性曲線；能夠通過 I-V 特性曲線計算分析出等離 子體的有關(guān)參數(shù)。通過本實驗應使學生充分理解如下內(nèi)容： 等離子體空間電位 等離子體懸浮電位 等離子體密度 （電子密度=離子密度 ） 電子溫度 朗繆爾探針 （單探針）進行等離子體診斷的理論11口 2口曰亡三T2. 實驗條件SSV-40型氣體放電與等離子體診斷儀1臺（如圖1所示）;實驗報告;實驗指導手冊；記錄筆和記錄紙；可拍照手機1朗紹爾探針2放電管陽極3放電管陰極 A微調(diào)閥（進氣）5電殂真空規(guī)6總電源開關(guān)7真

3、空泵幵關(guān)B壓力調(diào)節(jié)9真空計汨朗繆爾探針電源 U±110V電壓調(diào)節(jié) 12朗紹爾探針電流 門朗繆爾探針電壓 拯放電管電源15檔也開關(guān)違放電管電流17放電管電壓 切限流電阻19總電運顯示 卻總電壓調(diào)節(jié) 門限流電陰調(diào)節(jié)幵關(guān) 22跟流電阻調(diào)節(jié)幵關(guān) 朗液流電阻調(diào)節(jié)開關(guān) 羽真空泵圖1 SSV-40型氣體放電與等離子體診斷儀3. 考察知識點等離子體參數(shù)等離子體空間電位：等離子體相對于地的電位 （差）。等離子體密度：等離子體由電子和正離子組成，宏觀呈現(xiàn)電中性的物 質(zhì)狀態(tài)，因此宏觀的電子密度和離子密度相等也等于等離子體密度。電子 溫度：等離子體中大量電子做運動具有的動能的宏觀表現(xiàn)即溫度。探針懸浮電位：朗

4、繆爾探針懸浮在等離子體中（由于是懸浮狀態(tài)探針電 流為零）時探針相對于地的電位差德拜長度：德拜長度描述等離子體最小尺度，只有大于德拜長度的尺 度才可以認為是等離子體，小于德拜長度區(qū)域內(nèi)存在的電子離子的局部不 穩(wěn)定運動或者說局部空間電荷不為 0 ,不能認為是等離子體。因此德拜長 度是等離子體重要的指標，一般朗繆爾探針的針尖尺度應該小于德拜長度 以致于接觸式測量不至于對等離子體產(chǎn)生干擾。等離子體區(qū)抽點它一0-200rtiA0-2Q00V0-3000V地圖2 SSV-40型放電與等離子體診斷儀放電與診斷電路簡圖朗繆爾探針診斷圖2所示，朗繆爾探針插入放電管中（真空密封），接觸等離子體；另 一端與驅(qū)動電源

5、（輸出士 100V電壓）相連，而驅(qū)動電源另一端則與放電管的 陽極和地相連。數(shù)字電壓表 V2和電流表A2分別實時顯示朗繆爾探針的 電壓和電流值。這里假定陽極位降可以忽略（因為陽極位降很小，有時正有 時負有時為0）。結(jié)構(gòu)上朗繆爾探針是一個高熔點金屬絲（0.2mm鎢絲）并做真空密封處 理，如下圖3所示。一般用鎢絲或鉬絲或鉭絲，真空還原環(huán)境也可以用石圖3朗繆爾單探針圖4朗繆爾雙探針朗繆爾探針圖5朗繆爾探針安裝位置圖注：詳盡的朗繆爾探針診斷理論見“近代物理實驗-氣體放電與等離子體診斷理論基礎(chǔ)。部分”參考文獻：1. La ngmiur Probe Diag no stiesF.F Che n Un ive

6、rsity of California 20032. Hiden Ian gmuir Probema nual20033. Plasmart Probe system manual20044.SmartProbeman ual20025.近代物理實驗-氣體放電與等離子體診斷理論基礎(chǔ)20174. 實驗步驟實驗前的準備： 設(shè)備檢查包括電源位置、設(shè)備是否接地、真空泵油量以及其它影響實 驗或給實驗帶來隱患的因素。確保微調(diào)閥已關(guān)閉 （順時針擰到底 ）。打開氣瓶，并調(diào)節(jié)減壓閥到 0.5 個大氣壓左右。限流電阻調(diào)節(jié)開關(guān)R1 , R2和R3,以及檔位開關(guān)是否撥到最左側(cè)。檢查實驗報告，實驗指導手冊，實驗記錄本、

7、實驗記錄筆、手機等必要實驗 工具是否備齊。實驗前必須經(jīng)過必要的培訓或在老師指導下進行操作。注意安全。具 體實驗操作步驟參考圖 1 所示。5. 調(diào)節(jié)放電管正常輝光放電：步 1：打開“總電源”開關(guān)，再打開放電管驅(qū)動器“電源”開關(guān)。（先不要打開朗繆爾探針電源 ） 。步 2 ：打開“真空泵”開關(guān)，啟動真空泵開始抽真空，同時觀察真空 計讀數(shù)，直到真空度大于 10Pa步 3 ：打開微調(diào)閥，并緩慢調(diào)節(jié)“壓力調(diào)節(jié)按鈕”，同時觀察真空度 直到穩(wěn)定在設(shè)定值為止 ,（ 壓力在 20-100Pa ，在 30-50Pa 為宜）。步 4：打開“總電壓調(diào)節(jié)”開關(guān)，直到 1100V 左右。步 5 ：“檔位”開關(guān)打到 1 ，撥

8、動“限流電阻調(diào)節(jié)開關(guān)” 1 由左向右 旋動，每旋動一次限流電阻，其阻值相應減小一次，這時觀察放電管外型， 出現(xiàn)電流增大而電壓不變位置，為正常輝光放電。若沒有出現(xiàn)正常輝光放 電，則繼續(xù)，直到“限流電阻調(diào)節(jié)開關(guān)” 1 被撥動到最右邊為止，這時撥 動“檔位”開關(guān)打到 2，并撥動“限流電阻調(diào)節(jié)開關(guān)” 2 由左向右旋動， 每旋動一次限流電阻，其阻值相應減小一次，觀察放電管外型，出現(xiàn)電流 增大而電壓不變位置，為正常輝光放電，若沒有出現(xiàn)正常輝光放電，則繼 續(xù)。直到“限流電阻調(diào)節(jié)開關(guān)” 2 被撥動到最右邊為止，這時撥動“檔位” 開關(guān)打到 3 ，并撥動“限流電阻調(diào)節(jié)開關(guān)” 3 由左向右旋動，每旋動一次 限流電阻

9、，其阻值相應減小一次，這時觀察放電管外型，出現(xiàn)電流增大而 電壓不變位置，為正常輝光放電。若沒有出現(xiàn)正常輝光放電，則繼續(xù)。本 實驗儀器在 20Pa-100Pa 以內(nèi)又可以獲得正常輝光放電形貌。其它同學可以 改變放電壓力如 20Pa，30Pa， 40Pa， 50Pa 重復上述步驟；觀察不同的壓 力下的放電管正常輝光放電形貌。步 6 ：這時微微調(diào)整“壓力調(diào)節(jié)鈕”調(diào)整壓力，目的使朗繆爾探針剛 好處于正柱區(qū)(注：正柱區(qū)有時也會出現(xiàn)明暗相間也屬正常，這時要保證 探針在正柱區(qū)的明亮處，或者繼續(xù)增加壓力是正柱區(qū)變成均勻)。步 7 ：打開朗繆爾探針驅(qū)動電源的“開關(guān)”按鈕。步 8: 調(diào)節(jié)朗繆爾探針電壓調(diào)節(jié)按鈕，使

10、之在 -100V ，然后緩慢從 -100V， 步長0.5V,增加直到+100V同時及時記錄此時的探針電流。步 9 ：關(guān)閉朗繆爾探針電源，氣體放電電源。步 10 ：結(jié)束實驗步 11：課后，整理朗繆爾探針數(shù)據(jù)在坐標紙或計算機上獨立繪出朗繆 爾探針 I-V (-100V+100V )特性曲線。步 12 ：根據(jù) I-V 特性曲線求解等離子體參數(shù)例如表1某次朗繆爾探針實驗的數(shù)據(jù)處理表I-V 特性表I (uA);V (V)VVIVIVIVIVIV-1-5-5-312-244-110-32293420-1-4-3-314-253-112-123103422-1-4-1-315-256-11202511342

11、3-1-4-0-318-260-113127123424-1-40-320-265-114228133525-1-41-325-270-915330143526-1-43-328-274-816430153527-9-45-331-181-717531163528-8-4f6-333-186-61863217-7-48-237-191-51973218-6-39-241-198-42083319V(V)圖6朗繆爾探針I(yè)-V特性曲線回答問題：(1)求解等離子體懸浮電位答：懸浮電位是探針電流零點對應的電壓值，從表可知懸浮電位為-34V;(2)求解等離子體空間電位答：對I-V 數(shù)據(jù)取半度數(shù)Ini-V

12、,從懸浮電位開始(A) V(V)有:表2 I-V 數(shù)據(jù)取半度數(shù)Ini-VIVnIVlnIVlnIVlnIVlnIVlnIV-50-38-11.-27-10.-15-9.1-3-8.49-7.920-48-37-11.-26-9.8-13-9.0-1-8.310-7.922-47-36-11.-25-9.7-12-8.90-8.211-7.923-46-35-10.-24-9.7-11-8.91-8.212-7.924-45-34-10.-23-9.6-10-8.82-8.113-7.925-44-13.-33-10.-21-9.5-9-8.83-8.114-7.926-43-12.-32-10

13、.-20-9.5-8-8.74-8.015-7.927-42-12.-31-10.-19-9.4-7-8.65-8.016-7.928-41-12.-30-10.-18-9.3-6-8.66-8.017-40-11.-29-10.-17-9.3-5-8.57-8.018-39-11.-28-10.-16-9.2-4-8.58-8.019因此Inl-V 特性曲線如下空間電位為過渡區(qū)和電子飽和區(qū)直線交點處對應的電位即Vs=15V(3)求解等離子體電子溫度答：由In I-V特性曲線可知過渡區(qū)直線斜率為a =0.067,所以電子溫度為：TeVkTe1 1e0.067kTe1 e14.9eV0.067(4)求解等等離子體密度:答：等離子體密度等于電子密度也等于離子密度根據(jù)空間