等离子体的参数测量Word下载.docx

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由于常温下气体热运动的能量不大，不会自发电离，因而在我们生活的环境中物质都以固液气三态的形式存在。

天体物理学家沙哈（Saha）给出了一个公式，说明在热平衡的气体中，电离度，即电离部分粒子数占总粒子数的比（常温下可近似为电离部分粒子数与未电离部分粒子数的比）跟温度的依赖关系为：

，

（1）

式中的ni代表电离的分子数密度，单位是个/cm3。

n0代表未电离的中性分子数密度。

T为气体温度，单位是K。

k是玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K。

Ui为气体电离能，单位是eV。

我们以室温下普通气体为例，这时n0=3*1019/cm3，T=300K，对于氮气，Ui=14.5eV，将这些数字代入沙哈方程，得到ni/n010-122。

可见，室温下气体中电离的成份微乎其微。

若要使电离成份占千分之一，必须使温度T高于104K。

图1：

各类等离子体存在的参量空间。

尽管在人类生活的环境中，物质不会自发地以等离子体的形式存在，但根据沙哈的计算，宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子态。

从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际物质，到多变的电离层和高速的太阳风，它们都是等离子体。

地球上，人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。

随着科学技术的发展，各类人造等离子体在生活、生产和研究中的应用越来越广泛，如荧光灯、霓虹灯、等离子体显示屏中彩色的放电、电焊中的弧光放电和核聚变装置中燃烧的等离子体等等。

从物质的状态空间来看，固液气三态仅存在于低温高密度的参数区域，而等离子体存在的参数空间非常宽广。

从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密等离子体，离子的数密度ni从103m-3到1033m-3，跨越了30个数量级；

从火焰等的低温等离子体到核聚变实验的高温等离子体，温度T从10-1eV到106eV跨越了7个数量级。

图1给出了各类等离子体存在的参量空间。

等离子体物理研究领域广泛，学科交叉众多，应用前景广阔。

在有些国家，等离子体物理已经发展成为仅此于凝聚态物理的重要分支学科。

从国家重大需求来看，我国等离子体物理学科的发展空间还很大。

在受控热核聚变研究方面，我国通过大科学工程和“863”高技术计划已经形成了较大规模的磁约束聚变和惯性约束研究基地，已经参加了国际热核实验反应堆（ITER）计划，并酝酿进行自己的点火工程。

在空间资源开发和利用方面，随着“神舟”系列载人飞船的发射、“双星”计划以及绕月工程等项目的实施，我国的空间探索活动日趋频繁。

这些计划的进行都需要大量的掌握了丰富的等离子体物理知识的优秀专业人才。

等离子体的定义

等离子体是有电子、离子和中性粒子组成的，宏观上呈现准中性（quasineutrality），且具有集体效应的混合气体。

准中性是指等离子体中正负电荷的总数基本相等，系统在宏观上呈现电中性，但在小尺度上则呈现出电磁性。

集体效应突出地反映了等离子体和中性气体的区别。

理想气体模型中，中性气体分子之间的相互作用只在碰撞的时候才有。

等离子体中带电粒子之间的相互作用是长程库仑力，任何带电离子的运动均受到其他带电粒子的影响。

带电粒子的运动可以形成局域的电荷集中，从而产生电场，带点离子的运动优惠产生电流，进而产生磁场，这些电磁场

优惠影响其他带电粒子的运动。

因此，等离子体呈现出集体效应。

电离的主要方式

1、热电离

在高温下，气体质点的热运动速度很大，具有很大的动能，相互之间的碰撞会使原子中的电子获得足够大的能量，一旦超过电离能就会产生电离。

2、光电离

当气体受到光的照射时，原子也会吸收光子的能量，如果光子的能量足够大，也会引起电离。

光电离主要发生在气体稀薄的情况下。

3、碰撞电离

气体中的带电粒子在电场中加速获得等量，这些能量大的带电粒子跟气体原子碰撞进行能量交换，从而使气体电离。

碰撞电离中主要是电子的贡献。

各种粒子间的相互作用

等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各种类型的相互作用。

由于静电作用力的存在，使得问题比理想气体中粒子间的相互作用要复杂得多。

总的来说，等离子体中粒子间的相互作用可分为两大类：

一类是弹性碰撞，另一类是非弹性碰撞。

（1）、弹性碰撞

碰撞过程中粒子的总动能保持不变，碰撞粒子的内能不发生变化，也没有新的粒子或光子产生，碰撞只改变粒子的速度。

（二）非弹性碰撞

在碰撞过程中引起粒子内能的改变，或者伴随着新的粒子、光子的产生。

非弹性碰撞可以导致激发、电离、复合、电荷交换、电子吸附，甚至核聚变。

等离子体的密度和温度

1、等离子体密度

单位体积内（一般以cm3为单位）某带电粒子的数目。

ni表示离子浓度，ne表示电子密度。

2、等离子体温度

对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度；

对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以描述。

一般用Ti表示离子温度，Te表示电子温度，经常用eV作单位。

德拜长度

等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体能保持的最小尺度。

当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电的“鞘层”，其厚度可用德拜长度λD来描述，

。

等离子体振荡

等离子体中，发生了轻微的电荷分离形成电场。

由于电子和离子间的静电吸引力，使得等离子体有强烈的回复宏观电中性的趋势。

因为离子的质量远大于电子的质量，我们可以近似认为离子不动。

当电子相对于离子往回运动时，在电场作用下不断加速。

由于惯性的原因它会越过平衡位置，又造成相反方向的点和分离，从而又产生相反方向的电场，使电子再次向平衡位置运动。

这个过程不断重复就形成了等离子体内部电子的集体振荡，也叫做朗谬尔振荡。

可以得到振荡的频率是

（2）

等离子体辐射

等离子体中存在大量的以各种形式运动的带电粒子，因而由此引起的辐射过程也是多种多样的。

等离子体除了会产生极光、闪电、霓虹灯等其一多彩的可见光辐射，还会发出肉眼看不见的紫外线，甚至X射线。

根据光谱的不同，等离子体辐射可以分为连续光谱和线光谱（不连续的特征谱）两类。

根据辐射过程的微观特性，等离子体辐射可以分为轫致辐射、复合辐射、回旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等。

研究等离子体的方法

（1）单粒子轨道理论

这种理论的出发点是把等离子体看作由大量独立的带电粒子所组成的一个系统。

当然，实际上等离子体中的带电粒子之间存在着相互作用，本质上它是一种集体效应，因而，单粒子轨道理论是一种近似理论，只适用于非常稀薄的等离子体。

但是它有明显的优点：

处理问题简单明了，形象直观，有助于解释等离子体的许多性质。

（2）磁流体力学描述

当等离子体中离子运动的特征长度远大于带电粒子的平均自由程，特征时间远大于粒子间的平均碰撞时间时，我们可以等离子体看成是含由大量带电粒子的导电流体，即遵守电磁场的基本运动规律，又满足流体力学的运动规律，也即可以用磁流体力学（Magnetohydrodynamics，简写为MHD）的方法来描述等离子体。

（3）动力学描述

如果既要考虑单个粒子的运动，又要考虑粒子间的相互作用即集体效应，则必须用动力学理论来描述等离子体，即用统计力学的方法求出大量微观粒子的平均行为来描述等离子体的宏观性质。

这里，大量粒子的运动用分布函数来描述，带点离子间的相互作用归结为近距离作用和远距离作用两类。

远距离作用用一个自洽的等效场来描述，即有等离子体运动产生的反过来又影响等离子体运动的电磁场，而近距离作用则由两个粒子间的碰撞项来描述，针对不同的研究对象和研究内容，可以对碰撞项作不同的假设，形成各种有用的简化模型。

其他相关知识

1.等离子体的分类

2.各种常用等离子体的产生方法

3.等离子体的主要应用

4.高温核聚变

5.等离子体的检测方法

6.气体放电理论

实验仪器

本实验采用DH2005型直流辉光等离子体实验装置，该仪器采用一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝电极，可用于朗缪尔探针技术测定等离子体的一些基本参量。

测量及控制部分均布置在操作面板上，如图2所示。

图2：

DH2005直流辉光等离子体实验装置操作面板图

各操作部件名称：

1、总电源开关

2、冷却水电源开关

3、真空泵电源开关

4、电阻真空计开关

5、高压电源开关

6、工作选择开关

7、高压调节粗调旋钮

8、高压调节细调旋钮

9、探针电流量程旋钮

10、探针电压粗调旋钮

11、探针电压细调旋钮

12、放电管电压表

13、击穿电压显示表

14、辉光电流测量表

15、辉光电流量程旋钮

16、探针电流表

17、探针电压表

18、探针电流输入端

19、探针电压输出端

20、电压输出换向开关

21、电阻真空计

22、转子流量计

23、总电源指示灯

24、高真空微调阀

25、高真空隔膜阀

部分操作部件功能说明：

6作选择开关：

此开关的功能分为“断”、“辉光放电测量”、“击穿电压测量”、“探针测量”四档。

断：

开关在此位置时，高压没有输出，在改变电极距离和在调试过程中应将开关置于“断”档位上。

辉光放电测量：

开关在此位置时，可以进行辉光放电的电流-电压（I-V）曲线测量。

击穿电压测量：

开关在此位置时，可以进行击穿电压测量。

其原理是：

放电管中的气体被击穿时，会有电流流过；

随着电流的增大，内部取样电阻上的电压降增大，导致二极管导通，此时电压表显示的是二极管的导通电位值。

当电压在0.5～0.6V时可以认为气体击穿，记录下此时放电管两端的电压。

（实际的击穿电压值是放电管电压显示的电压值）。

探针测量：

开关在此位置时，可以进行探针电流-电压（I-V）曲线测量。

9、15量程选择开关。

探针电流测量：

分为20μA∼20mA4档。

辉光电流测量：

分为2mA∼2A共4档。

仪器主要配置及组成

DH2005直流辉光等离子体实验装置包括可拆卸的气体放