等离子特性研究.doc

等离子体特性研究一实验目的 1. 了解气体放电中等离子体的特性。2.利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。二、实验原理1.等离子体及其物理特性 等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1） 高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2） 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3） 宏观上是电中性的。2. 等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1） 电子温度e。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2） 带电粒子密度。电子密度为e，正离子密度为i，在等离子体中ei。 （3） 轴向电场强度L。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4） 电子平均动能e。 （5） 空间电位分布。3. 稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10102P时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。4. 等离子体诊断 测试等离子体的方法被称为诊断，它是等离子体物理实验的重要部分。等离子体诊断有（1）探针法，（2）霍尔效应法，（）微波法，（）光谱法，等等。（1） 探针法。 探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的，又称朗缪尔探针法。分单探针法和双探针法。 单探针法。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极(其形状可以是平板形、圆柱形、球形)，以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系，即探针伏安特性曲线，如图2.3-3所示。在电子平均速度为时，在单位时间内落到表面积为的探针上的电子数为： （2.3-2）将（2.3-1）式代入（2.3-2）式得探针上的电子电流： （2.3-3）其中 （2.3-4）对（2.3-3）式取对数其中故 （2.3-5）可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。作半对数曲线，如图2.3-4所示，由直线部分的斜率，可决定电子温度： （2.3-6）若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040。电子平均动能e和平均速度分别为： (2.3-7) （2.3-8）式中e为电子质量。由（2.3-4）式可求得等离子区中的电子密度： （2.3-9）式中I0为P时的电子电流，为探针裸露在等离子区中的表面面积。三、实验内容1.单探针法测等离子体参量方法是电脑化-记录仪和等离子体实验辅助分析软件，测量伏安特性曲线，算出等离子体参量。单探针法实验原理图如图2.3-8所示。（1）、用电脑化-记录仪测量按图2.3-10接线路，接通仪器主机总电源、测试单元电源、探针单元电源和放电单元电源。接通-函数记录仪电源，选择合适的量程。在接线板上选择合适的电阻。微机内已安装数据采集软件以及等离子体实验辅助分析软件，使放电管放电，调节合适的放电电流和电压运行电脑化-记录仪数据采集软件，随着探针电位自动扫描，电脑自动描出-特性曲线，将数据保存。运行等离子体实验辅助分析软件，将数据文件打开,进行处理，求得电子温度等主要参量。四、实验记录表一、单探针法测等离子体特性数据记录表 R=1000放电电流项目tgTe/KVe/m.s-1neEe/J30mA0.59 1.96E+048.70E+059.07E+174.06E-1940mA0.52 2.21E+049.24E+058.28E+174.58E-1950mA0.42 2.78E+041.04E+067.52E+175.76E-1960mA0.40 2.91E+041.06E+067.16E+176.02E-19数据分析：在一定放电电流范围内，随放电电流的增大。电子温度、电子平均速度和电子平均动能都增大。因为气体所受压力变大，其热运动越剧烈，因此，电子平均速度增大，平均温度上升，因E=1/2mv2所以电子平均动能增大。五、思考题 1、气体放电中的等离子体有什么特性？ 答：1.高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 2.带正电和带负电的粒子密度几乎相等。 3 宏观为电中性 4. 有辉光特性，电子的平均动能远大于其他粒子，处于非平衡状态 2、等离子体有哪些主要参量？ 答：1.电子温度eT 2.带点粒子密度n，电子密度en，正离子密度in 3.轴向电场强度LE 4.电子平均动能eE 5.空间点位分布 3、探针法对探针有什么要求? 1）电子和离子打到探针表面后被完全吸收，不会发生次级电子发射。 2）探针熔点要较高，保证其不会在放电过程中熔化。 3）探针不与等离子体发生化学反应。 4）探针的线度适中：小于离子