气体放电中等离子体的研究

气体放电中等离子体的研究131120161李晓曦摘要：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。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.等离子体的物理特性及描述等离子体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。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。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。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，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。其中正辉区是等离子区。图13.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。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(1)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：(2)将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流：(3)其中(4)对(3)式取对数(5)其中故espekTUUenn)(exp0常数esokTeUIln(6)可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。图3作半对数曲线，如图3所示，由直线部分的斜率tg，可决定电子温度Te：(7)若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040。电子平均动能Ｅe和平均速度ve分别为：(8)(9)式中ｍe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。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。常数epkTeUIlnkTEe23eeemkTv8eeoeoekTmeSIveSIn24图4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：(11)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。0UdUdI是Ｕ＝０附近伏安特性曲线斜率。电子密度ne为：(12)式中Ｍ是放电管所充气体的离子质量，Ｓ是两根探针的平均表面面积。Is是正离子饱和电流。4.用单探针法测量等离子体参量仪器联线如图5所示。图502121UiiiiedIdUIIIIkeTesekTMeSIn2测量时采样电阻设定为1000，放电电流设定为90mA。计算机自动生成的测量结果如下。作半对数曲线如图6所示。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)：90单探针序号：1取样电阻值(Ω)：1000实验结果:U0=30.93VI0=4009.32uAtgΦ=0.84Te=1.39E+004KVe=7.32E+005m/sNe=8.60E+017n/m^3Ee=2.87E-019J图6现依据公式计算如下：在实验数据中选择两点（32.194830,ln525.962),(32.997190,ln808.423)计算tg：0.53tg42.1910eeTKktg589,1910/eeekTvmsm1730248.5410(/4)eeInmedv191.54.5310eeEkTJ与计算机计算出的结果基本相等。5.用双探针法测量等离子体参量仪器联线如图7所示。图7测量时采样电阻设定为1000，放电电流设定为90mA。计算机自动生成的测量结果如下。其中实验参数与单探针法相同，参见上页。作半对数曲线如图8所示。实验结果:I1=334.27uAI2=332.50uAtgΦ=2.2E-004Te=9.00E+003KNe=1.91E+017n/m^3图8可见单探针法与双探针法测出的数据在数量级上是一致的。6.对实验的讨论（1）气体放电中的等离子体有什么特征？虽然宏观上的等离子体是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库伦相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使得电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度，当系统尺度大于德拜长度时，系统呈电中性，当系统尺度小于德拜长度时，系统可能出现非电中性。（2）等离子体有哪些主要参量？除了电子温度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；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；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；空间电位分布这些之外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使他们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如离子震荡，其频率称为朗缪尔频率或离子体频率。电子震荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁波。（3）探针法对探针有什么要求?对探针的一般要求是：1）电子和离子打到探针表面后被完全吸收，不会发生次级电子发射。2）探针熔点较高，不会在放电过程中熔化。3）探针不会与等离子体发生化学反应。4）探针的线度适中：既要明显大于其表面的正离子鞘层的厚度，以减少正离子鞘层的厚度在测量过程中的变化造成的影响；又要小于离子和电子的自由程，减小对等离子体的干扰。另外使用双探针法时，两探针应垂直于放电电流方向放置，使两个探针所在的等离子体电位尽量相同。两个探针的间距不宜过近，以免两个探针表面的离子鞘相互干扰。（3）分析误差原因，提出改进措施。从实验数据来看，单探针法与双探针法的测量结果存在一定差异。单探针法存在明显的误差。图6没有图3那样明显的线性增大区和拐点，并且电流不能达到饱和，持续增加。这样就很难准确求出tgΦ。其原因是离子鞘层的厚度随ＵP增大而改变，造成探针等效表面积改变，从而使到达探针表面的电子数偏离理论值。另外当探极电位ＵP接近等离子体的空间电位ＵS时，由于探针的边缘效应，事实上离子鞘层的厚度随ＵP增大而增大，其结果是探针等效表面积增大，探针电流也持续增大，在本实验条件下不能达到饱和。对于双探针法，由于探针为平行板，离子鞘层的厚度对探针等效表面积的影响不大，因此离子鞘层的厚度改变对实验结果的影响也不明显。综上，双探针法的测量结果更准确。对于单探针法，可作如下改进：适当选取探针的表面积，同时减小离子和电子的浓度，增大其平均自由程。