1、实验 2.3 气体放电中等离子体的研究071242037 姚路驰引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。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（）和汤克斯（）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。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。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。也就是说，其中正负电
2、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。（）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
3、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。（）轴向电场强度 L。表征为维持等离子体的存在所需的能量。（）电子平均动能 e。（）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
4、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， （）阴极暗区， （）负辉区， （）法拉第暗区， （）正辉区(即正辉柱)， （）阳极暗区， （）阳极辉区。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
5、，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1 5） ，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
6、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，所以段为正离子流，这个电流很小。过了点，随着探针负电位减小，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，所以段为正离子流加电子流。到了点，电子流刚好等于正离
7、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
8、中靠近探针表面处的电子密度 e，按玻耳兹曼分布应为（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1为底的对数，则常数11应改为。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。
9、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。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
10、。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）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。是附近伏安特性曲线斜率。电子密度 e为：（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
11、根探针所在处的等离子体电位 1和 2，由下式得（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2.3-6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。（2）霍尔效应法在等离子体中“悬浮”一对平行板，在与等离子体中带电粒子漂移垂直的方向加磁场，保持磁场方向、漂移方向和平行板法线方向三者互相垂直，如图2.3-7所示，则具有电荷和漂移速度 L的电子在磁场中受到的洛仑兹力为FL L式中为磁感应强度。这个作用力使电子向平行板法线方向偏转，从而建立起霍尔电场 ，这个电场对电子也将产生作用力Fe H当磁力和电场力平衡时，有（2.3-13）式中是平行板间距
12、， H是霍尔电压。实验证明，对弱磁场，霍尔电压和磁场之间保持线性关系，但（2.3-13）式要修改为（2.3-14）设电流密度为，则通过放电管的电流为：i设是放电管半径，则i e（） L2在只考虑数量级时，可假定 e（）是常数，则有i e 2 L （2.3-15）由（2.3-14）式和（2.3-15）式，求得电子密度（2.3-16）亥姆-霍兹线圈轴中央的磁感应强度为，式中 0为真空磁导率，N 为线圈匝数，i 为线圈电流，R 为线圈半径。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
13、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。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，显示开关置“电压显示” ，调节输出电压使之为以上，再把显示开关置“电流显示” ，按“高压触发”按钮数次，使放电管触发并正常放电，然后，将放电电流调到之间的某一值。将探针单元输出开关置“正向输出” ，调节“输出电压电位器”旋钮，逐点记录测得的探针电压和探针电
14、流，直到完成单探针的-特性曲线的测量。（）用-函数记录仪测量按图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。按前述方法使放电管放电，将放电电流调到需要值。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。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单探针的-特性曲线。由于等离子体电位在几分钟内可能有的漂移，逐点法测试时间较长，会使得到的曲线失真，而用-记录仪测量比较快，所以，可得到比逐点法好的曲线。由逐点记录和自动描绘的伏安特性曲线上求出电子温度、电子密度、平均动能。（
15、）用电脑化-记录仪测量线路与图2.3-10基本相同，只不过用电脑化-记录仪代替普通的函数记录仪，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，这些软件的使用方法请参阅仪器使用说明书，或者软件的在线帮助。接好线路并检查无误后，使放电管放电，启动微机，运行电脑化-记录仪数据采集软件，仿照步骤（） ，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。实验结果：日期: 2000-05-04 星期四 时间: 06:23-单探针法实验参数:探针直径(mm)： 0.45探针轴向间距(mm)： 30.00放电管内径
16、(mm)： 6.00平行板面积(mm2)： 8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 = 35.98 VI0 =2905.78 uAtg= 0.41 Te = 2.85E+004 KVe = 1.05E+006 m/sNe = 4.35E+017 n/m3Ee = 5.90E-019 J-2.双探针法用逐点记录法和自动记录法测出双探针伏安特性曲线，求 e和 e。双探针法实验原理图如图2.3-11所示。实验方法与单探针法相同
17、，同样可用逐点记录和用-函数记录仪测量，接线图如图2.3-12和2.3-13所示。值得注意的是双探针法探针电流比单探针小两个数量级，故要合理选择仪表量程。实验结果：日期: 2000-05-04 星期四 时间: 06:20-双探针法实验参数: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)： 8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取样电阻值()： 1000实验结果:I1 = 617.76 uAI2 = 252.54 uAtg= 2.2E-004Te = 9.45E+003 KNe = 2.43E+017 n/m3-注意事项1.放电管两极上的电压很高，谨防触电!2.探针电流不宜过大，以免损坏仪器。3.组合仪必须在看懂使用说明书后才可连线和操作。一定要按照操作规程，不可乱动旋钮。4.应用不同方法测量同一个等离子体参量，会有较大差别，这正是测量等离子体的困难之处。思考题1.气体放电等离子体有什么特性?答：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。
