等离子体实验报告南京大学Word下载.docx

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表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能Ee。

（5）空间电位分布。

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10-102Pa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。

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）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。

如图1所示，其中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，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105Ｋ），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。

图1

3.等离子体诊断

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。

探针法分单探针法和双探针法。

（1）单探针法。

单探针法实验原理图如图2所示。

图2

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）。

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3所示。

对此曲线的解释为：

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所示。

图3

在ＡＢ段，探针的负电位很大，电子受负电位的排斥，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，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。

过了Ｂ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ＵF。

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ＵP和等离子体的空间电位ＵS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ＵP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ＣＤ段，由于电子受到减速电位（ＵP-ＵS）的作用，只有能量比ｅ（ＵP-ＵS）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ｎe，按玻耳兹曼分布应为

式中ｎo为等离子区中的电子密度，Ｔe为等离子区中的电子温度，ｋ为玻耳兹曼常数。

在电子平均速度为ve时，在单位时间内落到表面积为Ｓ的探针上的电子数为：

得探针上的电子电流：

其中

取对数

故

可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。

图4

作半对数曲线，如图4所示，由直线部分的斜率

，可决定电子温度Te：

电子平均动能Ｅe和平均速度ve分别为：

式中ｍe为电子质量。

由（4）式可求得等离子区中的电子密度：

式中I0为ＵP＝Ｕｓ时的电子电流，Ｓ为探针裸露在等离子区中的表面面积。

（2）双探针法。

双探针法原理图如图5

图5

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6所示。

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、Is2。

图6

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Ｔe：

式中ｅ为电子电荷，ｋ为玻耳兹曼常数，Ii1、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Ｕ＝０附近伏安特性曲线斜率。

电子密度ne为：

式中Ｍ是放电管所充气体的离子质量，Ｓ是两根探针的平均表面面积。

Is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ＥL。

一种方法是分别测定两根探针所在处的等离子体电位Ｕ1和Ｕ2，由下式得

式中l为两探针间距。

另一种方法称为补偿法，接线如图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ＥL。

图7

三、实验数据

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，管内充汞或氩。

四、实验内容

1.单探针法测等离子体参量

本实验采用的是电脑化Ｘ-Ｙ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。

实验接线图如下

图8

连好线路后接通电源，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取样电阻。

运行电脑化Ｘ-Ｙ记录仪数据采集软件，随着探针电位自动扫描，电脑自动描出Ｕ-Ｉ特性曲线，将数据保存。

用等离子体实验辅助分析软件处理数据，求得电子温度等主要参量。

2．双探针法

用自动记录法测出双探针伏安特性曲线，求Ｔe和ｎe。

双探针法实验方法与单探针法相同，接线图如图9所示。

图9

五、实验数据

1.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（mm）：

6.00

平行板面积（mm^2）：

8.00

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）：

99

单探针序号：

1

取样电阻值（Ω）：

750

实验结果:

U0=34.86V

I0=15209.79uA

tgΦ=0.24

Te=4.81E+004K

Ve=1.36E+006m/s

Ne=1.75E+018n/m^3

Ee=9.96E-019J

2.双探针法

第一次实验结果:

I1=583.61uA

I2=448.12uA

tgΦ=1.0E-004

Te=2.95E+004K

Ne=1.63E+017n/m^3

第二次实验结果:

I1=554.53uA

I2=471.76uA

tgΦ=1.9E-004

Te=1.55E+004K

Ne=2.23E+017n/m^3

六、思考题

1、气体放电中的等离子体有什么特征？

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。

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λD。

当系统尺度L＞λD时，系统呈现电中性，当L＜λD时，系统可能出现非电中性。

2、等离子体有哪些主要的参量？

（1）电子温度Ｔe。

（3）轴向电场强度ＥL。

（4）电子平均动能Ｅe。

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、探针法对探针有什么要求？

（1）因为电子温度很高（约105K），所以探针需要有很高的熔点，且保证化学性质稳定

（2）抗干扰能力强。

探针必须是电的良导体，在高温中仍然要保持电的良导体的特性。