1、气体放电中等离子体的研究摘 要：本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，最后对本实验进行了讨论。关键词：电子温度e，带电粒子密度，轴向电场强度L，电子平均动能e，空间电位分布，正辉区，单探针法，双探针法一、引言等离子体，又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等。科学的进一步发展提新
2、的技术和工艺，现已广泛用于金属加工、电子工业、医学技术、显示技术、薄膜制造及广播通讯等诸多部门，对等离子体的研究也在不断深入，并出现了崭新的局面。现在已有不少院校正计划开设或已经开设了等离子体方面的实验。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。 朗缪尔（ILangmuir）和汤克斯（L.Tonks）首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。二、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。三实
3、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。也就是说，其中正负电荷密度相等，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。虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最
4、大尺度称为德拜长度 D。当系统尺度 L D时，系统呈现电中性，当 L D时，系统可能出现非电中性。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 e i。（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。此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，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
5、振荡频率 Fp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。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 11 2P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 2.3-1 所示。8 个区域的名称为（1）阿斯顿区， （2）阴极辉区， （3）阴极暗区， （4）负辉区， （5）法拉第暗区， （6）辉区(即正辉柱)， （7）阳极暗区， （8）阳极辉 正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒
6、定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为 105） ，但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。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。下面介绍前两种方法。（1）探针法。探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的，又称
7、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)，其接法如图 2.3-2 所示。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。对此曲线的解释为：在 AB 段，探针的负电位很大，电子受负电位的拒斥，而速度很慢的正离子被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，即所谓“正离子鞘” ，它把探针电场屏蔽起来。等离子区中的正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针，形成探针电流，所以 AB 段为正离子流，这个电流很小。过 B 点，随着探针负
8、电位减小，电场对电子的拒斥作用减弱，使一些快速电子能够克服电场拒斥作用，抵达探极，这些电子形成的电流抵消了部分正离子流，使探针电流逐渐下降，所以 BC 段为正离子流加电子流。到了 C 点，电子流刚好等于正离子流，互相抵消，使探针电流为零。此时探针电位就是悬浮电位 F。继续减小探极电位绝对值，到达探极电子数比正离子数多得多，探极电流转为正向，并且迅速增大，所以 CD 段为电子流加离子流，以电子流为主。当探极电位 P和等离子体的空间电位 s相等时，正离子鞘消失，全部电子都能到达探极，这对应于曲线上的 D 点。此后电流达到饱和。如果 P进一步升高，探极周围的气体也被电离，使探极电流又迅速增大，甚至烧
9、毁探针。由单探针法得到的伏安特性曲线，可求得等离子体的一些主要参量。对于曲线的 CD 段，由于电子受到减速电位（ P ）的作用，只有能量比（ P ）大的那部分电子能够到达探针。假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度 e，按玻耳兹曼分布应为 espekTUn)(x0（2.3-1）式中 0为等离子区中的电子密度， e为等离子区中的电子温度，为玻耳兹曼常数。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 常 数
10、esokTUIln故 常 数epkIln（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：kTEe23(2.3-7)eemv8（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： eoeekTSIvn24（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。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电位作为参考点，而且一部分放
11、电电流会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 2.3-5 所示。熟悉了单探针法的理论后，对双探针的特性曲线是不难理解的。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 is1、i s2。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
12、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：（2.3-10）02121Uiiiie dIdUIIIIkeT式中为电子电荷，为玻耳兹曼常数，i i1和 ii2为流到探针 1 和 2 的正离子电流。它们由饱和离子流确定。 0UdI是附近伏安特性曲线斜率。电子密度 e为： esekTMSIn2（2.3-11）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。i s是正离子饱和电流。由双探针法可测定等离子体内的轴向电场强度 L。一种方法是分别测定两根探针所在处的等离子体电位 1和 2，由下式得 lUEL21（2.3-12）式中 l 为两探针间距。另一种方法称为补偿法，接线如图 2.
13、3-6 所示。当电流表上的读数为零时，伏特表上的电位差除以探针间距 L，也可得到 L。四实验仪器本实验用等离子体物理实验组合仪(以下简称组合仪)、接线板和等离子体放电管。放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成，霍尔电极(平行板)用不锈钢片或镍片制成。管内充汞或氩。组合仪和接线板的用法参看该仪器使用说明书。实验仪可以满足三种实验的要求，并且可以直接测试实验数据，如果可能的话，不妨备一台微机或 XY函数记录仪，这样可以更准确地得到探针的特性曲线。实验参数：探针面积：1/4D（D=0.45mm） 探针轴向间距：30mm放电管内径：6mm 平行板面积：47mm平行板间距：4mm 赫姆霍兹线圈直径：200mm
14、赫姆霍兹线圈间距：100mm 赫姆霍兹线圈圈数：400 圈（单只）电子电量：e=1.60 C 电子质量：190Me=9.11 kg310玻尔兹曼常数：K=1.38 JK231五、实验内容1.单探针法测等离子体参量进行单探针法诊断实验可用三种方法：一种方法是逐点改变探针电位,记录探针电位和相应的探针电流数值，然后在直角坐标纸和半对数纸上绘出单探针伏安特性曲线。另一种方法用-函数记录仪直接记录探针电位和探针电流，自动描绘出伏安特性曲线。第三种方法是电脑化-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。（）逐点记录法的操作步骤大致如下：按图 2.3-9 连接线路。
