气体放电等离子体

1、刚开始探针未加电压，等离子体内电子的平均热运动速度远大于正离子的速度，因而在单位时间内打在探针表面上的电子数目远大于离子数，探针表面累计起了负电荷，电位相对于附近未被扰动的等离子体电位的差为负值。这个负电位排斥电子吸收离子，使电子电流变小，离子电流变大，最后单位时间进入探针表面的正电荷数等于负电子数，探针电流为零。FV当外加电源使得这个电位差不等于时，就会有电流流过探针。由于我们无法直接测量探针相对于等离子体内电位差，而只能测量探针相对于某一极（如阳极）的电位差。再假设等离子体内的电位相对于阳极的电位为，则有如下关系式：PVFVPVRVVVV阳针OPVVV针ORVVV阳PRVVVVPVPV（）

2、当时，如图中点，这时探针电位与附近的等离子体电位相同，他们中间不存在空间电荷壳层，此时电子和离子作无规则热运动打到探针表面而产生电流。设流出探针的电流为正，流入为负，因此，若电子碰撞产生电流为，离子碰撞产生电流为，则有：eoIioI14eoeeeIeN V S14ioiiiIeN V SeieoioVVII0eoioIII（只代表大小）（）当时，如图中E点，此时探针电位远远高于附近等离子体的电位，正离子受到排斥，打到探针上的离子电流将趋于零，负电子受到吸引，而在探针周围形成一层“电子壳层”，探针电流约等于电子电流PVeoI142.5 10eoeeeIIN SkT（）当时，如图中点，探针电流为电

3、子电流和离子电流之和，但由于电子要克服探针表面的负电位才能达到探针表面，因而电子电流将随着负电位绝对值的增大而减小，变化规律为：0FPVVexp()peeoeeVIIkTexp()peioeoioeeVIIIIIkT（）当时，如图中点探针电流为零，探针处于悬浮状态，原因我们已在前面讨论过了，不再叙述。应有：exp()peeoioeeVIIIkTPFVV（）当时，如图中点，探针电位很低，几乎所有的电子都受到排斥，电子电流趋向于零，正离子受到强烈的吸引，因而在其附近形成一个“离子鞘层”，收集全部飞向探针的正离子，探针电流等于饱和离子流PFVV142.5 10ioiieIINS kTioI至此，我们

4、已明白了单探针的特性曲线变化规律了。双探针法是在气体等离子放电管的靠近阳极附近放置两个悬浮的探针，调节两探针之间的电压，从测得放电管处于稳定状态下的伏安特性曲线，即可推出电子温度和电子密度等重要信息。测量装置如图所示：假设我们在此之前已得到两个探针分别作为单探针时的 特性曲线。电路中：探针、等离子体、电源三者构成一个回路，等离子体流过探针的电流必然准确的等于由探针流出而达到等离子体的电流。即：21II 21tVVV21VV0tV （）当且较大时，有，为了保证电流大小相等方向相反，两探针应分别工作与下图所示的区域中。设：声明：电流表测量的是流出的电流。因此应同一样。2ItVI1V随着的增大处曲线

5、较陡，处曲线平缓，因此为保证共同的电流增量，必须得有很小的（几乎不动），和很大的，此时：。的增大主要由的减小来贡献，这样的结果使得趋向于（饱和离子流）。即：。且变化较为平缓。2V21tVVV1I1 0iI211 0iIII tV1V实际上等离子体内部有背底偏压：，所以探针、间的实际电压差要高于，即：，实际电流要变得稍大一些，反映在图中如下：20100VVtV2010()tttVVVVV（）当减小时，间距变小，他们都将趋于，导致有减小，且减小速度较快，曲线较陡当时，探针间电压为零，此时电流为零，曲线交于横轴原点处。实际上，由于背底电压的存在，应继续减小（电压表读数），直至。此时。反映在图中如下：

6、tV1V2VFV21II 0tV 21FVVV0tV 10200tVVV0I tV（）当继续减小时，两探针工作点发生变化：同（）的讨论相似，随着的急剧减小，急剧左移，而几乎不动，电流趋向于探针的饱和离子流，电流是流入探针，因此为负值。变化也是较为平缓。tV21VVtV2V1V2 0iI212 0iIII 同样由于背底电压的存在，探针间实际电压差要稍小一些，即：。实际电流绝对值要稍小些，曲线上抬。2010()tttVVVVV至此，我们已拟合处双探针的“ ”曲线和它的大致走向，下面我们从实验角度来验证。四：实验验证经以上推测，可得知双探针的“ ”曲线理论图与实验图应该如下：多次试验曲线图也证实了我们的推测是正确的。0V 0V 0V 0V 0V 0V 20100VV20100VV我们改变放电管极性，测量“ ”曲线如下图所示：0oV 0oV 12kk12kk21kkooVV至于主要是改变放电极性后，两探针距阳极距离发生了变化，背底电压绝对值之差发生了变化，这是完全可以理解的。12kk五：实验感想由于我们得到的是“非中心对称”的“不完美”理论曲线，这就促使我们将仪器进行改进，试图得到“中