气体放电中等离子体的研究-南京大学

1气体放电中等离子体的研究南京大学物理学院2013级柯震（131120152）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定义为包含大量正负带点粒子、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当，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eT。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en，正离子密度为in，在等离子体中einn。2（3）轴向电场强度LE。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。此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库伦力，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pf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。图2.1辉光放电的光强，点位和电场分布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10100Pa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2.1所示。8个区域的名称为阿斯顿区，阴极辉区，阴极暗区，负辉区，法拉第暗区，正辉区，阳极暗区，阳极辉区。其中正辉区是我们感兴趣的等3离子区。4．单探针与双探针法测量原理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。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。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2.2所示。图2.2单探针伏安特性曲线可以推导出电子电流的对数和探针点位的关系：lnpeeUICkT作出lnI-U曲线如图2.3所示。4图2.3单探针的半对数曲线可见电子电流的对数和探针点位成线性关系，电子温度eT为：11600eeTKktgtg电子平均动能eE和平均速度ev为：32eeEkT8eeekTvm于是可以求得等离子区的电子密度0042eeeeIImneSveSkT（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点位作为参考点，而且一部分放电电流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2.4所示。5图2.4双探针伏安特性曲线在坐标原点，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。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12012iieUiiIIedUTkIIdI电子密度为2seeIMneSkT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。sI是正离子饱和电流。三．实验仪器本实验仪器有等离子体物理实验组合仪、接线板和等离子体放电管。6四．实验步骤本实验我们采用的是电脑化X-Y函数记录仪直接记录探针电位和探针电流，自动绘出伏安特性曲线，并使用等离子体实验辅助分析软件算出等离子体参量。实验中用了单探针法和双探针法两种方法。1．单探针法测等离子体参量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。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。五．数据处理1.单探针法（1）实验参数探针直径d(mm)0.45探针轴向间距(mm)30.00放电管内径(mm)6.007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)90探针序号1取样电阻(Ω)1000表1单探针实验参数（2）伏安特性曲线由实验所得数据作得等离子体的伏安特性曲线如图图1单探针伏安特性曲线I-U（2）lnI-U曲线根据I-U曲线作出lnI-U曲线如图8图2单探针lnI-U曲线在曲线左侧和右侧分别取点，作出第一切线和第二切线，读出切线的交点所在横坐标031.44UV从伏安特性曲线中可以读出，对应的电流为01700.16IA由第一切线可知tan0.8827由此可求出电子温度4116001.31410eeTKKktgtg已知Te可以求出电子速度Ve5187.11910eeekTvmsm我们也可以求出电子密度917300423.75510eeeeIImnmeSveSkT电子的平均动能为1932.720102eeEkTJ（3）与计算机结果的比较参量计算机计算结果手动计算结果误差eT13900K13140K5.47%eE192.8710J192.72010J5.23%ev57.3210/ms57.19910/ms1.65%en1738.6010/nm1733.75510/nm56.34%表2单探针实验结果比较可以看到，手动计算的结果和计算机计算的结果在数量级上是一致的，误差的范围也不大。唯一的例外是电子密度ne的值偏差较大，原因可能是在取两个切点的时候具有任意性，使得I0的值偏差较大。2.双探针法（1）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40010放电电流(mA)90取样电阻(Ω)1000表3双探针实验参数（2）伏安特性曲线由实验数据作出双探针伏安特性曲线如图图3双探针I-U曲线在曲线的左右两侧作出两条切线，以切线的纵截距作为饱和电流，则有12312.85322.68IAIA知曲线在U=0处的斜率为41tan1.39410AV那么31017.17410tanUdUVAdI则电子温度为114120121.32210iieUiiIIedUTKkIIdI取饱和电流为平均值12317.772sIIIA设管中所充为氩气，则有M=40u，知S=8mm2，则电子密度为17322.99410seeIMnmeSkT（3）与计算机结果的比较参量计算机计算结果手动计算结果误差eT9000K13220K46.89%en1731.9110/nm1732.99410/nm56.75%表4双探针实验结果比较由比较结果可知，手动计算结果和计算机计算结果数量级基本一致，同时也存在误差，原因可能是作切线时所取的切点不同，而使饱和电流值也不尽相同。和单探针的结果相比较也可以发现，实验结果在数量级上也是一致的，鉴于实验的精确度的限制，和等离子体本身的不稳定性，这样的结果还是比较符合预期的。六．思考题1.气体放电中的等离子体有什么特性？答:（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。122.等离子体有哪些主要参量？答:（1）电子温度eT。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en，正离子密度为in，在等离子体中einn。（3）轴向电场强度LE。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．探针法对探针有什么要求?答：（1）探针具有较高的熔点，保证其不会在放电过程中熔化。（2）探针化学性质稳定，避免与等离子体发生化学反应。（3）探针线度适中：要小于离子和电子的自由程以减小对等离子体的干扰。特别是对于双探针法时，两个探针应该垂直的放置于放电电流的方向，使得这两个探针的电位尽量相同。（4）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仍然要保持电的良导体的特性。13附录一计算机计算结果1.单探针实验参数: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)：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-019J2.双探针实验参数: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：40014放电电流(mA)：90取样电阻值(Ω)：1000实验结果:I1=334.27uAI2=332.50uAtgΦ=2.2E-004Te=9.00E+003KNe=1.91E+017n/m^3