直流輝光放電中等離子體診斷實驗指導(dǎo)手冊(教師用)-東北大學(xué)

1、近代物理實驗系列-等離子體診斷實驗實驗指導(dǎo)手冊(教師用書)東北大學(xué)2017.6.301. 實驗?zāi)康牡入x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(yīng)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(xué)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)理論。朗繆爾探針是研

2、究等離子體特性的主要工具，要求學(xué)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(yīng)使學(xué)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2. 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(dǎo)手冊；記錄筆和記錄紙；可拍照手機。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

3、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(yīng)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。圖 2 SSV-40型放電與等離子體

4、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(輸出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)境也可以用石墨絲。圖 3 朗繆爾單探針圖 4 朗繆爾雙探針圖 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

5、子體診斷理論基礎(chǔ)。部分”參考文獻：1.Langmiur Probe DiagnosticsF.F Chen University of California 20032.Hiden langmuir Probemanual20033.Plasmart Probe systemmanual20044.SmartProbemanual20025.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

6、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(dǎo)手冊，實驗記錄本、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(xùn)或在老師指導(dǎo)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

7、“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(yīng)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(yīng)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

8、調(diào)節(jié)開關(guān)”3 由左向右旋動，每旋動一次限流電阻，其阻值相應(yīng)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(xué)可以改變放電壓力如20Pa，30Pa，40Pa， 50Pa 重復(fù)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

9、爾探針電壓調(diào)節(jié)按鈕，使之在-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)IVIVIVIVIVIVIV-1-5-5-312-244-110-32293420-1-4-3-314-253-112-123103422-1-4-1-315-256-11

10、2025113423-1-4-0-318-260-113127123424-1-40-320-265-114228133525-1-41-325-270-915330143526-1-43-328-274-816430153527-9-45-331-181-717531163528-8-46-333-186-61863217-7-48-237-191-51973218-6-39-241-198-42083319 圖 6 朗繆爾探針 I-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(yīng)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)

11、據(jù)取半度數(shù) lnI-V,從懸浮電位開始.I(A) V(V)有:表 2 I-V 數(shù)據(jù)取半度數(shù) lnI-VIVlnIVlnIVlnIVlnIVlnIVlnIV-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.

12、926-43-12.-32-10.-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 lnI-V 特性曲線如下圖 7 I-V 數(shù)據(jù)取半度數(shù) lnI-V 曲線圖空間電位為過渡區(qū)和電子飽和區(qū)直線交點處對應(yīng)的電位即 Vs=15V(3)求解等離子體電子溫度答：由 lnI-V 特性曲線可知過渡區(qū)直線斜率為=0.067，所以電子溫度為：TeV= kTee= 1 =a10.067kTe= e1= 14.9eV0.067(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)空間電位處有：=Iesat41 e ne即N=5.95X1014/m3 A（5）