氣體放電中等離子體的研究

1、氣體放電中等離子體的研究131120161 李曉曦摘 要：本文闡述了氣體放電中等離子體的特性及其測試方法，分別使用單探針法和雙探針法測量了等離子體參量，最后對本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：等離子體，等離子體診斷，探針法1. 引言等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)在宇宙中普遍存在。在實(shí)驗(yàn)室中對等離子體的研究是從氣體放電開始的。近年來等離子體物理學(xué)有了較快發(fā)展，并被應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工和廣播通訊等部門，特別是等離子體的研究，為利用受控?zé)岷朔磻?yīng)，解決能源問題提供了誘人的前景。2. 等離子體的物理特性及描述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。等離子體有一系列不同于普通氣

2、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。描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度e。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e，正離子密度為i，在等離子體中ei。（3）軸向電場強(qiáng)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。本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)保持在10102Pa時(shí)，在兩電極上加高

3、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)、電位和場強(qiáng)分布如圖1所示。8個(gè)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)。圖13. 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(shí)驗(yàn)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(gè)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(diǎn)，改變探針電位，測出相應(yīng)的探針電流，得到探針電流

4、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(yùn)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(gè)電流很小。過了點(diǎn)，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(diǎn)，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電流為零。此時(shí)探針電位就是懸浮電位F。繼續(xù)減小探極電位絕對值，到達(dá)

5、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(shí)，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(diǎn)。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為等離子區(qū)中的電子密度，e為等離子

6、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(shí)，在單位時(shí)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：

7、60;                                    (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： (

8、10)式中I0為P時(shí)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曲線如圖4所示。在坐標(biāo)原點(diǎn)，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(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Is1、Is2。圖4雙探針法有一個(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

9、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ne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。4. 用單探針法測量等離子體參量儀器聯(lián)線如圖5所示。圖5測量時(shí)采樣電阻設(shè)定為，放電電流設(shè)定為90mA。計(jì)算機(jī)自動生成的測量結(jié)果如下。作半對數(shù)曲線如圖6所示。探針直徑(mm)： 0.45探針軸向間距(mm)： 30.00放電管內(nèi)徑(mm)： 6.00平行板面積(mm2)： 8.00平行板間距(mm)： 4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00亥姆

10、霍茲線圈間距(mm)：100.00亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400放電電流(mA)： 90單探針序號： 1取樣電阻值()： 1000實(shí)驗(yàn)結(jié)果:U0 = 30.93 VI0 =4009.32 uAtg= 0.84 Te = 1.39E+004 KVe = 7.32E+005 m/sNe = 8.60E+017 n/m3Ee = 2.87E-019 J圖6現(xiàn)依據(jù)公式計(jì)算如下：在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選擇兩點(diǎn)（32.194830,ln525.962), (32.997190, ln808.423)計(jì)算：與計(jì)算機(jī)計(jì)算出的結(jié)果基本相等。5. 用雙探針法測量等離子體參量儀器聯(lián)線如圖7所示。圖7測量時(shí)采樣電阻設(shè)定為，放電電流

11、設(shè)定為90mA。計(jì)算機(jī)自動生成的測量結(jié)果如下。其中實(shí)驗(yàn)參數(shù)與單探針法相同，參見上頁。作半對數(shù)曲線如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:I1 = 334.27 uAI2 = 332.50 uAtg= 2.2E-004Te = 9.00E+003 KNe = 1.91E+017 n/m3圖8可見單探針法與雙探針法測出的數(shù)據(jù)在數(shù)量級上是一致的。6. 對實(shí)驗(yàn)的討論（1） 氣體放電中的等離子體有什么特征？雖然宏觀上的等離子體是電中性的，但是由于電子的熱運(yùn)動，等離子體局部會偏離電中性。電荷之間的庫倫相互作用，使這種偏離電中性的范圍不能無限擴(kuò)大，最終使得電中性得以恢復(fù)。偏離電中性的區(qū)域最大尺度稱為德拜長度，當(dāng)系統(tǒng)尺度大于德

12、拜長度時(shí)，系統(tǒng)呈電中性，當(dāng)系統(tǒng)尺度小于德拜長度時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)非電中性。 （2）等離子體有哪些主要參量？除了電子溫度e。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)；帶電粒子密度。電子密度為e，正離子密度為i，在等離子體中ei；軸向電場強(qiáng)度L。表征為維持等離子體的存在所需的能量；電子平均動能e；空間電位分布這些之外，由于等離子體中帶電粒子間的相互作用是長程的庫侖力，使他們在無規(guī)則的熱運(yùn)動之外，能產(chǎn)生某些類型的集體運(yùn)動，如離子震蕩，其頻率稱為朗繆爾頻率或離子體頻率。電子震蕩時(shí)輻射的電磁波稱為等離子體電磁波。（3）探針法

13、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(diǎn)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(shí)，兩探針應(yīng)垂直于放電電流方向放置，使兩個(gè)探針?biāo)诘牡入x子體電位盡量相同。兩個(gè)探針的間距不宜過近，以免兩個(gè)探針表面的離子鞘相互干擾。（3）分析誤差原因，提出改進(jìn)措施。從實(shí)驗(yàn)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。圖6沒有圖3那樣明顯的線性增大區(qū)和拐點(diǎn)，并且電流不能達(dá)到飽和，持續(xù)增加。這樣就很難準(zhǔn)確求出tg。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