气体放电中等离子体的研究

气体放电中等离子体的研究091120***一、实验目的1、了解等离子体的产生和有关参数的物理意义2、采用探针法测量气体放电等离子体的电子温度和电子密度二、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。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）阳极辉图1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。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espekTUUenn)(exp0(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。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)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。常数esokTeUIln常数epkTeUIlnkTEe23eeemkTv8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。双探针法原理图如图4图4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5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5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eeoeoekTmeSIveSIn2402121UiiiiedIdUIIIIkeT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。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（13）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6三、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：探针面积：1/4лD²（D=0.45mm）探针轴向间距：30mm放电管内径：Ф6mm平行板面积：4×7mm²平行板间距：4mm赫姆霍兹线圈直径：Ф200mm赫姆霍兹线圈间距：100mm赫姆霍兹线圈圈数：400圈（单只）电子电量：e=1.60×1910C电子质量：Me=9.11×3110kg玻尔兹曼常数：K=1.38×2310J·K四、实验内容esekTMeSIn2lUUEL21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7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。计算机自动生成的测量结果如下。A轴为U，B轴为I图8半对数曲线如下图9可求得U0=28.14VI0=1481.60uAtgΦ=0.80Te=1.45E+004KVe=7.48E+005m/sNe=3.11E+017n/m^3Ee=3.00E-019J2．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10所示。图10实验结果图如下图11实验结果如下I1=508.36uAI2=523.21uAtgΦ=1.5E-004Te=1.97E+004KNe=5.69E+016n/m^3五、误差分析1．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，而双探针法流到探针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。另外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。2.要得到较好的实验结果，一般应在能产生辉光放电的压强和放电电流范围内，令压强稍高些，放电电流小些，探针离阳极近些，测量探针电压的电压表内阻尽量大些，电流表内阻小些，量程宽些，尽量测量快些。等离子体参数的探针实验中，一般只注意作离子电流的修正，实际上，在某种情况下，探针污染和灯丝高能电子对测量结果的影响可能大得多。六、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。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、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。