气体放电中等离子体的研究-南京大学

1、气体放电中等离子体的研究南京大学物理学院2013级柯震（131120152）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定义为包含大量正负带点粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相当，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。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

2、等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度。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 ，正离子密度为 ，在等离子体中。（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。（4）电子平均动能。（5）空间电位分布。此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库伦力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。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。图2.1

3、 辉光放电的光强，点位和电场分布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时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8 个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.1所示。8个区域的名称为阿斯顿区，阴极辉区，阴极暗区，负辉区，法拉第暗区，正辉区，阳极暗区，阳极辉区。其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。4单探针与双探针法测量原理测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法， 光谱法等。本次实验中采用探针法。分单探针法和双探针法。（1）单探针法。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极。以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位

4、，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2.2所示。图2.2 单探针伏安特性曲线可以推导出电子电流的对数和探针点位的关系：作出lnI-U曲线如图2.3所示。图2.3 单探针的半对数曲线可见电子电流的对数和探针点位成线性关系，电子温度为：电子平均动能和平均速度为：于是可以求得等离子区的电子密度（2）双探针法单探针法有一定的局限性，因为探针的电位要以放电管的阳极或阴极点位作为参考点，而且一部分放电电流对探极电流有所贡献，造成探极电流过大和特性曲线失真。双探针法是在放电管中装两根探针，相隔一段距离L。双探针法的伏安特性曲线如图2.4所示。图2.4 双探针伏安特性

5、曲线在坐标原点，如果两根探针之间没有电位差，它们各自得到的电流相等，所以外电流为零。然而，一般说来，由于两个探针所在的等离子体电位稍有不同，所以外加电压为零时，电流不是零。随着外加电压逐步增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流。双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电流。这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。从而探针对等离子体的干扰大为减小。由双探针特性曲线，通过下式可求得电子温度电子密度为式中是放电管所充气体的离子质量，是两根探针的平均表面面积。是正离子饱和电流。三实验仪器本实验仪器有等离子体物理实验组合仪、接线板和等离子体放电管。四实验步骤本实验

6、我们采用的是电脑化X-Y函数记录仪直接记录探针电位和探针电流，自动绘出伏安特性曲线，并使用等离子体实验辅助分析软件算出等离子体参量。实验中用了单探针法和双探针法两种方法。1单探针法测等离子体参量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按前述方法使放电管放电，将放电电流调到需要值。接通X-Y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。将选择开关置“自动”，则探针电压输出扫描电压，当需要回零时，按“清零”按钮，电压又从零开始扫描。让函数记录仪自动记录探针的U-I特性曲线。由于等离子体电位在几分钟内可能有25%的漂移，逐点法测试时间较长，会使得到的曲线失真，而用X-

7、Y记录仪测量比较快，所以，可得到比逐点法好的曲线。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。2、双探针法实验方法与单探针法相同，同样可用逐点记录和用X-Y函数记录仪测量。五数据处理1. 单探针法（1）实验参数探针直径d(mm0.45探针轴向间距(mm30.00放电管内径(mm6.00平行板面积(mm228.00平行板间距(mm4.00亥姆霍兹线圈直径(mm200.00亥姆霍兹线圈间距(mm100.00亥姆霍兹线圈匝数400放电电流(mA90探针序号1取样电阻(1000表1 单探针实验参数（2）伏安特性曲线由实验所得数据作得等离子体的伏安特性曲线如图图1 单

8、探针伏安特性曲线I-U（2）lnI-U曲线根据I-U曲线作出lnI-U曲线如图图2 单探针lnI-U曲线在曲线左侧和右侧分别取点，作出第一切线和第二切线，读出切线的交点所在横坐标从伏安特性曲线中可以读出，对应的电流为由第一切线可知由此可求出电子温度已知Te可以求出电子速度Ve我们也可以求出电子密度电子的平均动能为（3）与计算机结果的比较参量计算机计算结果手动计算结果误差表2 单探针实验结果比较可以看到，手动计算的结果和计算机计算的结果在数量级上是一致的，误差的范围也不大。唯一的例外是电子密度ne的值偏差较大，原因可能是在取两个切点的时候具有任意性，使得I0的值偏差较大。2. 双探针法（1）实验

9、参数探针直径(mm0.45探针轴向间距(mm30.00放电管内径(mm6.00平行板面积(mm28.00平行板间距(mm4.00亥姆霍兹线圈直径(mm200.00亥姆霍兹线圈间距(mm100.00亥姆霍兹线圈匝数400放电电流(mA90取样电阻(1000表3 双探针实验参数（2）伏安特性曲线由实验数据作出双探针伏安特性曲线如图图3 双探针I-U曲线在曲线的左右两侧作出两条切线，以切线的纵截距作为饱和电流，则有知曲线在U=0处的斜率为那么则电子温度为取饱和电流为平均值设管中所充为氩气，则有M=40u，知S=8mm2，则电子密度为（3）与计算机结果的比较参量计算机计算结果手动计算结果误差表4 双探

10、针实验结果比较由比较结果可知，手动计算结果和计算机计算结果数量级基本一致，同时也存在误差，原因可能是作切线时所取的切点不同，而使饱和电流值也不尽相同。和单探针的结果相比较也可以发现，实验结果在数量级上也是一致的，鉴于实验的精确度的限制，和等离子体本身的不稳定性，这样的结果还是比较符合预期的。六思考题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. 等离子体有哪些主要参量？答: （1）电子温度。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

11、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 ，正离子密度为 ，在等离子体中。（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。（4）电子平均动能。（5）空间电位分布。3探针法对探针有什么要求?答：（1）探针具有较高的熔点，保证其不会在放电过程中熔化。（2）探针化学性质稳定，避免与等离子体发生化学反应。（3）探针线度适中：要小于离子和电子的自由程以减小对等离子体的干扰。特别是对于双探针法时，两个探针应该垂直的放置于放电电流的方向，使得这两个探针的电位尽量相同。（4）抗干扰能力强。探针必须是电的良导体，在高温的等离子气体中仍然要保持电的良导体的特性。附

12、录一 计算机计算结果1. 单探针实验参数:探针直径(mm： 0.45探针轴向间距(mm： 30.00放电管内径(mm： 6.00平行板面积(mm2： 28.00平行板间距(mm： 4.00亥姆霍兹线圈直径(mm：200.00亥姆霍兹线圈间距(mm：100.00亥姆霍兹线圈匝数： 400放电电流(mA： 90单探针序号： 1取样电阻值(： 1000实验结果: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 J2. 双探针实验参数:探针直径(mm： 0.45探针轴向间距(mm： 30.00放电管内径