气体放电中等离子体的研究实验报告-南京大学.doc

_* 南京大学物理系实验报告 题目 实验2.3 气体放电中等离子体的研究 姓名 董佳婧 学号 141120021 一、 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。 二、 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。 三、 实验原理 1、等离子体及其物理特性 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）带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中ne≈ni。 （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 。 （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： 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： 图2 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 其中 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 四、 实验内容 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: 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)： 28.00 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)： 87 单探针序号： 1 取样电阻值(Ω)： 1000 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 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，放电电流设定为90mA，启动计算机，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origin和mathematica作图如下： x轴：电压U/mV y轴：电流I/mA 图9 在做半对数曲线如图10： x轴：电压U/mV y轴：电流I/mA 图10 做切线，找交点，如图11： x轴：电压U/mV y轴：电流I/mA 图11 读出交点坐标为X = 14911.0807, Y = 8.31140351，即U=14.91 V，I=8311.40 uA,带入公式; 0.14 Te=11600tgϕ=82857.14K=8.29E+004k 据可算出ne=7.29*10^17 而导入标准分析软件，有结果为： U0 = 23.57 V I0 =6970.13 uA tgΦ= 0.29 Te = 3.97E+004 K Ve = 1.24E+006 m/s 可见计算结果有些微差别，但是数量级并没有发生改变。 关于Te的误差：（8.29E+004k－3.97E+004 K）／8.29E+004k＝52.11% 关于I0的误差19.2% 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12所示。 图12 实验参数如下： 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)： 28.00 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. 亥姆霍兹线圈匝数： 400 放电电流(mA)： 114 取样电阻值(Ω)： 1000 实验结果导入SciDAVis里作图并拟合如下： x轴：电压U/mV y轴：电流I/mA 图13 可以读出，A1=473.514，A2=539，即I1=473.514uA,I2=539uA。 实验中用标准分析软件得出的结果为： I1 = 481.77 uA I2 = 439.09 uA tgΦ= 1.9E-004 Te = 1.38E+004 K Ne = 6.09E+016 n/m^3 可以看出I1和I2在同一个数量级且相差不大。 而且双探针法测出的电子温度与单探针法也处于同一个数量级。 我们用两个单探针试进行了双探针实验： 五、 误差分析 单探针法与双探针法测出的数据在数量级上是一致的。实验数据处理方法是是在曲线两边各取一点做该点切线交与电流为零所对应的直线，交点的数值分别取为I1和I2。单探针法是在实验数据的半对数曲线的弯折前部与后部取切线相交得到电压电流，在取切线会产生较大误差。 通过计算可知，单探针法的实验误差为ΔI=I测－I标＝8.31-6.97=1.34，误差达到19.2%，可见单探针法误差较大。双探针法的实验误差计算：ΔI/I标=（I测－I标）／I标）／＝（481.77－473.515）／481.77=1.74%可见双探针法大大降低了实验误差。特别是采用波尔兹曼函数拟合的方法来代替取点做切线法更减小了误差。 双探针法的优点：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。 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。 由数据处理可以看到单探针法的误差较大，因为没有明显的线性区以及饱和区，因此在计算以及确定时误差很大，这是因为单探针法因为探针的点位要以放电管的阳极或阴极作为参考点，而且一部分放电电流会对谈及电流有所贡献，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。 但是我们仍然可以看出，无论是但探针法还是双探针法，计算出的数据都 在同一数量级上。 六、 思考题 1、气体放电中的等离子体有什么特征？ 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。 2、等离子体有哪些主要的参量？ 电子温度Ｔe、带电粒子密度、轴向电场强度ＥL。表征为维持等离子体的存在所需的能量、电子平均动能Ｅe、空间电位分布。 3、探针法对探针有什么要求？ （1）较高的熔点：由于电子温度很高（约为105Ｋ），玻璃内温度较高，所以探针必须要求较高的熔点，防止探针在高温下熔化； （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。 七、 参考文献 1、黄润生等，近代物理实验(第二版)，南京大学出版社。