等离子体实验讲义.docx
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等离子体实验讲义
气体放电中等离子体的研究
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(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.等离子体的主要参量
描述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,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。
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,(3)微波法,(4)光谱法,等等。
等等。
本次实验中采用探针法。
(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
①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:
将
(1)式代入
(2)式得探针上的电子电流:
其中
对(3)式取对数
其中
故
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
:
若取以10为底的对数,则常数11600应改为5040。
电子平均动能
和平均速度
分别为:
(8)
(9)
式中
为电子质量。
由(4)式可求得等离子区中的电子密度:
(10)
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。
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。
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。
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
:
(11)
式中
为电子电荷,
为玻耳兹曼常数,
,
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
为:
(12)
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。
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EL。
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。
相关实验参数如下:
探针直径(mm):
0.45亥姆霍兹线圈直径(mm):
200.00
探针轴向间距(mm):
30.00亥姆霍兹线圈间距(mm):
100.00
放电管内径(mm):
6.00亥姆霍兹线圈匝数:
400
平行板面积(mm^2):
28.00放电电流(mA):
90
平行板间距(mm):
4.00取样电阻值(Ω):
1000
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X-Y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。
单探针法实验原理图如图2.3-8所示。
(1)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300V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30-100mA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流,直到完成单探针的U-I特性曲线的测量。
(2)用X-Y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单探针的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-Y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。
(3)用电脑化X-Y记录仪测量
线路与图2.3-10基本相同,只不过用电脑化X-Y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X-Y记录仪数据采集软件,仿照步骤(2),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。
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
用逐点记录法和自动记录法测出双探针伏安特性曲线,求Te和ne。
双探针法实验原理图如图2.3-11所示。
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,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。
六、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数,会有较大的差别,这正是测量等离子体的困难之处。
七、思考题
1、气体放电中的等离子体有什么特征?
2、等离子体有哪些主要的参量?
3、探针法对探针有什么要求?