氣體放電中等離子體的研究-南京大學(xué)

1、氣體放電中等離子體的研究南京大學(xué)物理學(xué)院2013級(jí)柯震（131120152）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(shuō)，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

2、等離子體的一些主要參量為：（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(kù)倫力，使它們?cè)跓o(wú)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

3、 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(yáng)極暗區(qū)，陽(yáng)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?lè)y(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?lè)?，霍爾效?yīng)法，微波法， 光譜法等。本次實(shí)驗(yàn)中采用探針?lè)?。分單探針?lè)ê碗p探針?lè)?。?）單探針?lè)āＬ结樖欠馊氲入x子體中的一個(gè)小的金屬電極。以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位

4、，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，即探針?lè)蔡匦郧€，如圖2.2所示。圖2.2 單探針?lè)蔡匦郧€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：作出lnI-U曲線如圖2.3所示。圖2.3 單探針的半對(duì)數(shù)曲線可見(jiàn)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?lè)▎翁结樂(lè)ㄓ幸欢ǖ木窒扌?，因?yàn)樘结樀碾娢灰苑烹姽艿年?yáng)極或陰極點(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(guò)大和特性曲線失真。雙探針?lè)ㄊ窃诜烹姽苤醒b兩根探針，相隔一段距離L。雙探針?lè)ǖ姆蔡匦郧€如圖2.4所示。圖2.4 雙探針?lè)蔡匦?/p>

5、曲線在坐標(biāo)原點(diǎn)，如果兩根探針之間沒(méi)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(shuō)來(lái)，由于兩個(gè)探針?biāo)诘牡入x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?lè)ㄓ幸粋€(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(guò)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)

6、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)輔助分析軟件算出等離子體參量。實(shí)驗(yàn)中用了單探針?lè)ê碗p探針?lè)▋煞N方法。1單探針?lè)y(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(kāi)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(kāi)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-

7、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(kāi)。進(jìn)行處理，求得電子溫度等主要參量。2、雙探針?lè)▽?shí)驗(yàn)方法與單探針?lè)ㄏ嗤瑯涌捎弥瘘c(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?lè)ǎ?）實(shí)驗(yàn)參數(shù)探針直徑d(mm探針軸向間距(mm放電管內(nèi)徑(mm平行板面積(mm2平行板間距(mm亥姆霍茲線圈直徑(mm亥姆霍茲線圈間距(mm亥姆霍茲線圈匝數(shù)400放電電流(mA90探針序號(hào)1取樣電阻(1000表1 單探針實(shí)驗(yàn)參數(shù)（2）伏安特性曲線由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)作得等離子體的伏安特性曲線如圖圖1 單探針?lè)蔡匦郧€I-U（2）lnI-U曲線根據(jù)I-U曲線作出lnI-

8、U曲線如圖圖2 單探針lnI-U曲線在曲線左側(cè)和右側(cè)分別取點(diǎn)，作出第一切線和第二切線，讀出切線的交點(diǎn)所在橫坐標(biāo)從伏安特性曲線中可以讀出，對(duì)應(yīng)的電流為由第一切線可知由此可求出電子溫度已知Te可以求出電子速度Ve我們也可以求出電子密度電子的平均動(dòng)能為（3）與計(jì)算機(jī)結(jié)果的比較參量計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果手動(dòng)計(jì)算結(jié)果誤差表2 單探針實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可以看到，手動(dòng)計(jì)算的結(jié)果和計(jì)算機(jī)計(jì)算的結(jié)果在數(shù)量級(jí)上是一致的，誤差的范圍也不大。唯一的例外是電子密度ne的值偏差較大，原因可能是在取兩個(gè)切點(diǎn)的時(shí)候具有任意性，使得I0的值偏差較大。2. 雙探針?lè)ǎ?）實(shí)驗(yàn)參數(shù)探針直徑(mm探針軸向間距(mm放電管內(nèi)徑(mm平行板面積(mm

9、2平行板間距(mm亥姆霍茲線圈直徑(mm亥姆霍茲線圈間距(mm亥姆霍茲線圈匝數(shù)400放電電流(mA90取樣電阻(1000表3 雙探針實(shí)驗(yàn)參數(shù)（2）伏安特性曲線由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出雙探針?lè)蔡匦郧€如圖圖3 雙探針I(yè)-U曲線在曲線的左右兩側(cè)作出兩條切線，以切線的縱截距作為飽和電流，則有知曲線在U=0處的斜率為那么則電子溫度為取飽和電流為平均值設(shè)管中所充為氬氣，則有M=40u，知S=8mm2，則電子密度為（3）與計(jì)算機(jī)結(jié)果的比較參量計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果手動(dòng)計(jì)算結(jié)果誤差表4 雙探針實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較由比較結(jié)果可知，手動(dòng)計(jì)算結(jié)果和計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果數(shù)量級(jí)基本一致，同時(shí)也存在誤差，原因可能是作切線時(shí)所取的切點(diǎn)不同，而使飽和電

10、流值也不盡相同。和單探針的結(jié)果相比較也可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上也是一致的，鑒于實(shí)驗(yàn)的精確度的限制，和等離子體本身的不穩(wěn)定性，這樣的結(jié)果還是比較符合預(yù)期的。六思考題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。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

11、。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。3探針?lè)▽?duì)探針有什么要求?答：（1）探針具有較高的熔點(diǎn)，保證其不會(huì)在放電過(guò)程中熔化。（2）探針化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，避免與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（3）探針線度適中：要小于離子和電子的自由程以減小對(duì)等離子體的干擾。特別是對(duì)于雙探針?lè)〞r(shí)，兩個(gè)探針應(yīng)該垂直的放置于放電電流的方向，使得這兩個(gè)探針的電位盡量相同。（4）抗干擾能力強(qiáng)。探針必須是電的良導(dǎo)體，在高溫的等離子氣體中仍然要保持電的良導(dǎo)體的特性。附錄一 計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果1. 單探針實(shí)驗(yàn)參數(shù):亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400放電電流(mA： 90單探針序號(hào)： 1取樣電阻值(： 1000實(shí)驗(yàn)結(jié)果:U0 = 30.93 VI0 =4009.32 uAtg= 0.84 Te = 1.3