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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 ：等离子体，等离子体诊断，探针法1.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。2.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。3.
2、实验原理1.等离子体定义及其物理特性等离子体 又称等离子区是一种由等量正负电荷离子和中性粒子组成的电离气体，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。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Te。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
3、密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中neni。3轴向电场强度EL。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 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页5空间电位分布。3.稀薄气体产生的辉光放电图 1 辉光放电的光强、电位和场强分布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1 所示。 8 个区域的名称为1阿斯顿区，
4、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。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。4.等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断。等
5、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。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。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2 所示。对此曲线的解释为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 12 页图 2 单探针伏安特性在 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
6、，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 ?。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 ?和等离子体的空间电位?相等时，正离子鞘消失，全部
7、电子都能到达探极，这对应于曲线上的D点。此后电流到达饱和。如果 ?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?- ? 的作用，只有能量比e?-? 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外表处的电子密度?，按玻耳兹曼分布应为1式中 ?0为等离子区中的电子密度，?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ve时，在单位时间内落到外表积为的探针上的电子数为：2将(1) 式代入 (2) 式得探针上的电子电流：
8、espekTUUenn)(exp0精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 12 页3其中4对(3) 式取对数5其中故6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3 所示。图 3 单探针的半对数曲线由直线部分的斜率tg，可决定电子温度Te：7假设取以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ve分别为：89常数esokTeUIln常数epkTeUIlnkTEe23eeemkTv8精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，
9、共 12 页式中 e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P时的电子电流，为探针裸露在等离子区中的外表面积。2双探针法。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4 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 4 双探针伏安特性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
10、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 e 为电子电荷， k 为玻耳兹曼常数，?1、?2为流到探针1 和 2 的正离子电流。它们由饱和离子流确定。?|?=0是 U=0附近伏安特性曲线斜率。电子密度为 ?：12式中 M是放电管所充气体的离子质量，S是两根探针的平均外表面积。?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?。 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13式中 l 为两探针间距。另一种方法称为补偿法，接线如图5 所示。 当电流表上的读数为零时，伏特表上的电位eeoeoekTme
11、SIveSIn2402121UiiiiedIdUIIIIkeTesekTMeSIn2lUUEL21精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页差除以探针间距L，也可得到 ?。图 5 补偿法接线4.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，管内充汞或氩。实验参数 : 放电电流 (mA)： 90 单探针序号： 1 取样电阻值 ( ) ： 1000 5.实验内容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
12、。实验原理图如图6 所示。图 6 单探针法实验原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页1按图 7 连接线路图 7 单探针法实验接线图2接好线路并检查无误后，使放电管放电，测量时采样电阻设定为1000 ，放电电流设定为90mA ，启动电脑，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。2.双探针法用自动记录法测出双探针伏安特性曲线，求?和 ?。双探针法实验原理图如图8 所示。 双探针法实验方法与单探针法相同，接线图如图9 所示。图 8 双探针法实验原理图精选学习
13、资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页图 9 双探针法实验接线图6.实验数据及处理1. 单探针法实验由实验测得的伏安特性曲线如图10 所示图 10 单探针法实验伏安特性曲线再将上述数据作半对数曲线，得到如图11 所示的结果303540455055U V2468101214I mA精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 12 页图 11 单探针法实验半对数曲线接着，做出两端的切线，并得到交点，如图12 所示图 12 半对数线、切线及其交点?=11600tg?= 5
14、233.050703493054?由电子温度则可进一步求出电子平均动能、平均速度及电子密度，分别为：?=32?= 1.08375203204969510-19?= 8?= 449412.273824434?/?303540455055U V422lnI mA303540455055U V64224lnI mA精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 12 页2.双探针法实验由实验测得的伏安特性曲线如图13 所示图 13 双探针法实验伏安特性曲线对所得曲线进行玻尔兹曼拟合，如图14 所示图 14 拟合所得的玻尔兹曼曲线通过拟合的参数
15、，我们得到两个饱和电流分别为：此外，计算电子温度所需的U=0 附近的伏安特性曲线的斜率也可以由此得出：从而可求的电子温度?=?1? ?2?1+ ?2?|?=0= 21441.325343142584?同理，可求电子平均动能和平均速度，分别为：40202040UV0.40.20.20.4I mA40202040U V0.40.20.20.4I mA精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 12 页?=32?= 4.44044616173099210-19?= 8?= 909689.6869743891?/?7.讨论双探针法的优点：
16、双探针法不需要参考电位，受放电系统接地情况的影响较小。另外由于流到探针的总电流不会大于饱和离子电流，从而探针对等离子体的干扰大为减小。单探针法的优点：单探针法可以通过伏安特性曲线得到双探针法无法获得悬浮电位?及空间电位 ?。8.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。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
17、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、等离子体有哪些主要的参量？描述等离子体的一些主要参量为：1电子温度e。2带电粒子密度。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
18、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 12 页3、探针法对探针有什么要求？1探针必须要有较高的熔点，由于在电子温度比较高，玻璃管里的温度比较高，所以探针必须要要较高的熔点，防止探针在高温下融化。；2探针材质的化学性质要稳定，在高温下要求探针不易发生化学变化。3抗干扰能力强。探针必须是电的良导体，在高温的等离子气体中任然要保持电的良导体的特性。9.参考文献【1】黄润生，近代物理实验第二版，南京大学出版社精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页