基于dh2005直流輝光等離子體實驗裝置Langmuir 探針的實驗開發(fā)

1、基于dh2005直流輝光等離子體實驗裝置Langmuir 探針的實驗開發(fā)本文檔由【中文word文檔庫】提供，轉載分發(fā)敬請保留本信息；中文word文檔庫免費提供海量范文、教育、學習、政策、報告和經(jīng)濟類word文檔。盧江蛟 07300720388（復旦大學 光信息工程）合作者 黃志鴻 指導老師 樂永康摘要：本文分析了dh2005直流輝光等離子體實驗裝置的實驗條件，在Langmuir 探針測量等離子參數(shù)基礎上，調節(jié)等離子體狀態(tài)、Langmuir探針相對等離子位置及外加磁場研究等離子體內(nèi)部狀態(tài)及響應特性。本實驗開發(fā)在實驗室置允許的條件下，改進實驗儀器和實驗內(nèi)容，實現(xiàn)了等離子體唯象結構的診斷，以及等離子

2、體對外加磁場的響應特性的測量分析，并且對實驗中觀察到現(xiàn)象和原理分析提出了具有可操作性的實驗開發(fā)。關鍵詞：等離子體 Langmuir 探針 磁場 唯象結構 霍爾效應等離子體是繼氣、液、固之后的物質的第四態(tài)，內(nèi)部結構實際為電子、離子、原子和分子等共同存在的狀態(tài)，整體保持電中性。一般情況下，低氣壓、高溫、高壓狀態(tài)下更適合等離子狀態(tài)的存在。借此可以理解等離子體為宇宙空間中大部分物質所存在的狀態(tài)。本實驗裝置產(chǎn)生的等離子則是在低氣壓狀態(tài)的氬氣兩端加高壓，使氬原子分裂成電子和離子，形成輝光電流，實驗儀器不斷補充氬原子分裂離子和電子達到動態(tài)平衡狀態(tài)。一dh2005直流輝光等離子體實驗裝置直流輝光等離子體教學實

3、驗裝置在經(jīng)典直流放電管的基礎上加以改進，工作氣體、工作氣壓、電極距離等影響等離子體的參數(shù)均可靈活地加以單獨或組合調控.利用該裝置可以系統(tǒng)研究等離子體的激發(fā)原理和影響因素。該裝置包括可拆卸的氣體放電管、測量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等部分組成，可調節(jié)的參數(shù)有：等離子體極板間距及探針相對位置、等離子體氣壓、高壓電源、探針電壓。已開發(fā)的試驗有：等離子體輝光放電U-I曲線、驗證帕邢定律、雙探針法測量等離子體參數(shù)。dh2005直流輝光等離子體實驗裝置操作面板圖二Langmuir 探針工作原理Langmuir 探針是利用探針附近的靜電場與等離子體的相互作用而引起電荷重新分布所形成的探針電流變化作為

4、診斷依據(jù)的。在等離子中加入探針，探針表面在極短的時間內(nèi)積累相當數(shù)量的負電荷（負電荷相對正電荷運動速度更快）,使探針相對于其附近未被擾動的等離子體的電位為負值,此負電位排斥電子而吸引離子,在探針表面附近形成一正的空間電荷層(離子鞘)，即德拜屏蔽（屏蔽層厚度即德拜長度 ）。當外加電源使探針相對于空間電位的電位差不等于懸浮電位時，探針重新達到懸浮電位時，探針上電子數(shù)和離子數(shù)改變，探針上就會產(chǎn)生探針間電流的變化。 此時假設：被測等離子體空間處于電中性，“電子密度ne=離子濃度ni”，電子與離子的速度滿足麥克斯韋速度分布；德拜長度比探針面積的線度小，忽略邊緣效應，近似認為“鞘層=探針的面積”；電子和正離

5、子的平均自由程比鞘層厚度大，忽略鞘層中粒子碰撞引起的彈性散射、粒子激發(fā)和電離；探針材料與氣體不發(fā)生化學反應；探針表面沒有熱電子和次級電子的發(fā)射。記錄每一個流過探針的電流值。取探針電壓為橫坐標,探針電流為縱坐標,可得雙探針的伏安特性曲線，利用以下曲線相應求出電子溫度和等離子體密度。三利用Langmuir 探針法診斷等離子體唯象結構在dh2005直流輝光等離子體實驗裝置中，探針位置不可變，但是如果保持極板間距不變，輝光放電電壓不變，調節(jié)真空度，使輝光電流在某一值附近穩(wěn)定，在此情況下改變極板位置，則在實驗誤差允許的情況下，可認為探針位置相對于“同一等離子體”的位置改變，則利用Langmuir 探針法

6、即能診斷等離子體唯象結構各位置相應等離子體參數(shù)。1.等離子體輝光放電理想唯象結構2.本實驗室裝置在極板間距由上圖可觀察到陽極暗區(qū)、陽極輝光區(qū)、正電柱、陰極輝光區(qū)。1） 光譜法診斷等離子體各唯象結構光譜法，即用光譜儀測量雙探針相對于等離子體各位置的光譜圖，讀取光譜圖中光強最強的波長處的光強值（此處光強最大，對應誤差更小），再分別對比各位置的相對光強。利用光譜法測量此等離子體的光強分布，從陽極至陰極間隔5mm（共18點）取點測量光譜圖。取點方法為制作帶相應間隔小孔的黑色紙張（或布）罩在等離子體對應位置，利用連接光譜儀的光纖末端對準并貼緊小孔，緩慢轉動小孔，當光譜顯示為最大時記錄光譜圖，再分別取光譜

7、圖中光強最大的751.49nm處光強作圖。此方法用于測量等離子體輝光放電各位相結構的相對光譜強度，對各光譜內(nèi)部結構不做要求，在實驗允許情況下，也可做光譜分析實驗。光譜法診斷等離子體各唯象結構結果如下：其中1對應于陽極暗區(qū)，2對應陽極輝光區(qū)，3-4對應于正電柱，4-5之間存在法拉第暗區(qū)，5對應于負極輝光區(qū)，6對應于陰極暗區(qū)，7對應于陰極輝光區(qū)?？梢娪晒庾V法，可大致分辨Ar等離子體輝光放電各唯象結構。2）以下對比利用本實驗探針法測量等離子體各唯象結構參數(shù)。實驗中從“左板-74.8mm、右板15.2mm”開始依次右移5mm直至“左板-14.8mm、右板75.2mm”，共17個點，調節(jié)等離子體為“同一

8、狀態(tài)”，測量雙探針I(yè)-U曲線。其中，1-13點為右探針測得，14-17點為左探針測得。左探針位置為-10mm-11mm，右探針位置10mm11mm。 利用Oringin8.0處理，可得“等離子密度相對值取點序號”圖像如下（已經(jīng)過左探針重測修正）：對比光譜法結果，1對應于陽極暗區(qū)，2對應陽極輝光區(qū)，3-4對應于正電柱，4-5之間存在法拉第暗區(qū)，5對應于負極輝光區(qū)，6對應于陰極暗區(qū)，結果一致。只是對于探針法，探針不能過分靠近陰極，故少一組對應于陰極輝光區(qū)的結果。 本實驗還有其他觀察結果，當輝光放電電壓改變，或者電流改變，等離子體各唯象結構相對位置改變。故如果取點更加密集，本實驗方法可以更加準確的測

9、量等離子體各唯象結構在實驗參數(shù)變化時的響應曲線，研究等離子體更加精密的結構參數(shù)。3）等離子體中理論曲線與實驗曲線差別的分析。等離子體理論I-U曲線：A1,A2分別為兩探針的表面面積； V1,V2為電位；電壓V=V1-V20，i1+， i1-，i2+，i2-分別為：流過探針1，2的離子和電子電流?？梢姰斕结橂妷海ń^對值，下同）逐漸增加，探針表面為保持德拜屏蔽，內(nèi)部電荷不斷經(jīng)過雙探針形成電流，同時外部吸引電子（離子），達到動態(tài)平衡。雙探針流過電荷以I=2i+tanh（eV/2kTe）的形式增加。當電壓增加到一定值時，假設原來的等離子體鞘層厚度不變，相應可提供探針電流的電子數(shù)目有限，電流達到飽和，即

10、此時等離子空間電荷密度已經(jīng)無法滿足德拜屏蔽，電荷流動速率達到最大值。探針I(yè)-U理想曲線圖中上平臺為電子飽和電流，對應下平臺為離子飽和電流，零點附近斜率則代表了相應雙探針所處等離子體空間的等離子體密度。A探針表面氧化層的對實驗曲線影響：實驗中，利用右探針的實驗曲線如下：由上圖可見在電壓為零附近，出現(xiàn)了一個轉折平臺。且當利用右探針測量等離子體密度很小的陽極暗區(qū)時，平臺變小，整體近似直線。利用左探針的實驗曲線如下：由上圖可見，當利用左探針測量時平臺消失。故重新利用左探針測量原右探針相應位置的探針I(yè)-U曲線，平臺消失。分析可得在右探針外表面出現(xiàn)了氧化層，對于零點附近探針電壓值狀態(tài)。兩探針之間相比于原來

11、無氧化層時電阻大大增加，吸引的電子大大減少，對應德拜屏蔽所需電子和離子減少。對于電壓值的改變，電子和離子的流動也大大減弱，故在探針電壓零值附近I-U曲線斜率趨近于零。當電壓值大到一定程度時（本實驗中為5V左右），氧化層的影響削弱，故整個曲線趨于正常。由上所述，對實驗所用探針應該采用“等離子體濺射”的方法除去其表面氧化層。、此試驗方法也可用于研究氧化膜對于德拜屏蔽的影響。B德拜屏蔽厚度增加隨實驗曲線的影響 據(jù)上圖，可見，探針I(yè)-U理想曲線圖中飽和電流電流對應于上圖中斜率較小的斜線。可以理解為在電壓（絕對值）增加到德拜長度逐漸增加，探針中電荷流動的速率也對應增加，故出現(xiàn)了斜線情況。此時斜線斜率即對

12、應于德拜長度隨電壓增加的變化情況。故利用本實驗原理可進行德拜長度與探針電壓的變化關系。通過以上Langmuir 探針法診斷等離子體唯象結構實驗，可以鍛煉學生的動手能力及思考能力，更加深刻的理解Ar等離子體輝光放電唯象結構，分析實驗操作中各種非理想情況，并且深入探索各唯象結構的特性。四等離子體對外加磁場的響應特性的觀察測量實驗dh2005直流輝光等離子體實驗裝置照片如下，實驗改進既是在畫圈處（即Ar等離子體放電管），垂直電場方向加均勻可變的磁場，觀察測量等離子體對外加磁場的響應特性。實驗條件：在畫圈處加蹄型磁鐵，Ar等離子放電管所處位置大致為均勻恒定磁場。B大約為14mT。電極間距90mm。由于

13、等離子體外加磁場時其內(nèi)部結構及響性特性復雜多變，以下介紹幾種在本實驗儀器允許條件下觀測到的改變。1. 加磁場和未加磁場等離子體擊穿電壓不同，一般來說，加磁場后擊穿電壓增加。等離子中帶電粒子受到外加磁場的洛倫茲力的作用，改變了原來陰極陽極間的運動軌跡。以單個電子子為例。按照統(tǒng)計學說法，未加磁場時，電子受到陽極板的吸引，沿直線到達陽極板形成輝光電流。當外加磁場時，電子子受到垂直于原速度方向和磁場方向的洛倫茲力的作用，運動軌道大致如下：故對于整個等離子體，若要達到氣體擊穿，對應擊穿電壓更高，以克服離子軌道彎曲的影響。這里本實驗裝置還能完成探究擊穿電壓與外加磁場的關系。2. 等離子輝光放電唯象結構改變

14、，從陰極輝光區(qū)一直延伸到接近陽極，出現(xiàn)近似周期性明暗變化的輝光區(qū)。 由于霍爾效應，電子在玻璃管壁處多次輝光放電，產(chǎn)生會輝光類似于陰極輝光區(qū)。實際上，當磁場靠近等離子體時，隨著磁場的增大，從陰極輝光區(qū)開始產(chǎn)生一個個近似周期間隔分布的亮區(qū)和暗區(qū)，亮區(qū)的外觀顏色和亮度都和陰極相當，在改進實驗裝置的情況下，可對其光譜圖進行驗證。以下是利用探針法對近似周期性亮區(qū)和暗區(qū)每隔2mm取點所得等離子體密度（已去除原等離子體參數(shù)的影響）曲線圖：可見對于此時形成的明暗間隔區(qū)域，相應明紋（暗紋）間的間距逐漸增大。理論分析此明暗間隔區(qū)域，電子由于磁場的作用，在陰極區(qū)多次達到輝光放電。在左側第一明紋處產(chǎn)生輝光后，再次被電

15、場加速，到達第二明紋再次產(chǎn)生輝光，如此重復。明紋（暗紋）間的間距逐漸增大，可以證明相應位置的電位分布的不均勻變化。由此實驗原理，可利用磁場對等離子體此影響測量相應的電位分布。3. 當此輝光區(qū)延伸到陽極，電壓較小時，等離子體出現(xiàn)“超阻”現(xiàn)象（即等離子體輝光電流瞬間為零，等離子體電阻極大）。當輝光電壓較大時，等離子體“超阻”現(xiàn)象消失。此時等離子體使得所有的離子都無法到達陰極，等離子體狀態(tài)被破壞，形成電中性。輝光電壓較大時，原恒定的磁場已經(jīng)無法使得此等離子體中所有離子都不能到達陰極，故若要再次達到“超阻”現(xiàn)象則需增加磁場強度。由此實驗原理，可探索磁場強度與產(chǎn)生“超阻”時的電壓的關系。五以下介紹外加磁

16、場的等離子體的一種測量方法：霍爾效應法。在一半導體或導體中，X方向加電場，Y方向加磁場，則由于單個電子在X方向切割Y方向的磁場，就受到了Z方向上的洛倫茲力。（常溫和小于1T的弱磁場條件下）部分電子沿Z方向移動，形成霍爾電場，由于霍爾電場逐漸增加，阻止了電子繼續(xù)的沿Z方向移動，最終達到平衡。達到平衡時，有霍爾電阻率：即霍爾系數(shù)KH與電子濃度成反比，與磁場無關.而霍爾電阻率RH與磁場B呈簡單的線性關系。實驗裝置：霍爾效應法診斷等離子體實驗裝置改進圖： 本實驗裝置采用的霍爾電極為半球面電極，分上下兩個，位置為橫向中點，垂向為放電管橫截面直徑兩端，其連線垂直于水平線。為減小電極板對等離子體內(nèi)部結構的影

17、響，電極應該盡量選擇線性小，且積累電荷能力適當，同時對等離子體輝光放電唯象結構影響盡量小。由下圖所示，探針法積累電荷能力不夠；球端法嚴重破壞了等離子體穩(wěn)定邊界條件，對等離子體影響較大。故采用半球面電極作為霍爾電極。為補充半球面積累電荷能力的不足，外部測量電流的電路應該選取比較靈敏的電路，也可加放大電路。實驗原理：本實驗中，兩電極之間的距離為D，霍爾電壓VH為“VH=RHIB/D”.I為電流強度。在本實驗等離子體中，設兩電極之間有電荷為e，漂移速度為u的粒子運動。在垂直電極方向加磁場，則有u=EH/B=VH/BD，這里EH為霍爾電極間的電場大小。在磁場較小，近似認為放電電流均勻時，有電子濃度ne

18、=JDB/8eVH。這里J、D、e視為常數(shù)。當B值變化時，可測的相應的霍爾電壓VH，從而求出電子濃度ne、漂移速度u等等離子體參數(shù)。本實驗方法可用于雙探針法、光譜法、霍爾效應法測量等離子體參數(shù)的比較。六基于dh2005直流輝光等離子體實驗裝置Langmuir 探針的實驗開發(fā)總結。本實驗儀器在可操作的情況下可以開發(fā)以下實驗：1.利用改變等離子體兩極板位置，測量雙探針相對于等離子體各位置參數(shù)，同時可以對比光譜法分析實驗結果。 2.當輝光放電電壓改變，或者電流改變，等離子體各唯象結構相對位置改變。故如果取點更加密集，本實驗方法可以更加準確的測量等離子體各唯象結構在實驗參數(shù)變化時的響應曲線，研究等離子體更加精密的結構參數(shù)。 3.基于探針表面