您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 23等离子体分析-1212
2.3气体放电中等离子体的研究物理学院121120038韩天杰摘要:本文阐述了气体放电中等离体子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:等离子体气体放电等离子体诊断探针法ExperimentonthePlasmaingasdischargeHanTianjie,121120038,SchoolofphysicsAbstract:Thispaperexpoundsthecharacteristicsandtestmethodsoftheplasmainthedischarginggasmediuminvitro,andtheplasmaparameterismeasuredbysingleprobeanddoubleprobe.Thentheresultisusedtobediscussed.KeyWords:plasma,gasdischarge,plasmadiagnostic,probemethod1.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2.1了解气体放电中等离子体的特性。2.2利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。3.实验原理3.1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。3.2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。3.3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)正辉区(即正辉柱),(7)阳极暗区,(8)阳极辉区。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。3.4等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断,它是等离子体物理实验的重要部分。等离子体诊断有(1)探针法,(2)霍尔效应法,(3)微波法,(4)光谱法,等等。下面介绍前两种方法。(1)探针法。探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的,又称朗缪尔探针法。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),其接法如图2.3-2所示。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2.3-3所示。对此曲线的解释为:在AB段,探针的负电位很大,电子受负电位的拒斥,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,即所谓“正离子鞘”,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(2.3-1)式中n0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。在电子平均速度为时,在单位时间内落到表面积为S的探针上的电子数为:(2.3-2)espekTUUenn)(exp0将(2.3-1)式代入(2.3-2)式得探针上的电子电流:(2.3-3)其中(2.3-4)对(2.3-3)式取对数其中故(2.3-5)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2.3-4所示,由直线部分的斜率tgφ,可决定电子温度Te:(2.3-6)常数esokTeUIln常数epkTeUIln若取以10为底的对数,则常数11600应改为5040。电子平均动能Ee和平均速度分别为:(2.3-7)(2.3-8)式中me为电子质量。由(2.3-4)式可求得等离子区中的电子密度:(2.3-9)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。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电位作为参考点,而且一部分放电电流会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2.3-5所示。熟悉了单探针法的理论后,对双探针的特性曲线是不难理解的。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。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:(2.3-10)式中e为电子电荷,k为玻耳兹曼常数,ii1和ii2为流到探针1和2的正离子电流。它们由kTEe23eeemkTv8eeoeoekTmeSIveSIn2402121UiiiiedIdUIIIIkeT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:(2.3-11)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(2.3-12)式中l为两探针间距。另一种方法称为补偿法,接线如图2.3-6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。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,霍尔电极(平行板)用不锈钢片或镍片制成。管内充汞或氩。霍尔效应法测量时外加一对亥姆霍兹线圈。有关的实验参数如下,探针面积S=πd2/4,d=0.45mm探针轴向间距=30mm放电管内径φ6mm(气体放电柱直径要稍小些,通常取φ5mm)平行板面积:φ=4×7(mm)平行板间距:d=4mm亥姆霍兹线圈直径:φ200mm亥姆霍兹线圈间距:100mm亥姆霍兹线圈匝数,400匝(单只)组合仪和接线板的用法参看该仪器使用说明书。还可以配X-Y函数记录仪,或者用电脑化X-Y记录仪,自动描出伏安特性曲线。0UdIdUesekTMeSIn2lUUEL215.实验内容5.1单探针法测等离子体参量进行单探针法诊断实验可用三种方法:一种方法是逐点改变探针电位,记录探针电位和相应的探针电流数值,然后在直角坐标纸和半对数纸上绘出单探针伏安特性曲线。另一种方法用X-Y函数记录仪直接记录探针电位和探针电流,自动描绘出伏安特性曲线。第三种方法是电脑化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。单探针法实验原理图如图2.3-8所示。用X-Y函数记录仪测量按图2.3-10接线路,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单探针的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。由逐点记录和自动描绘的伏安特性曲线上求出电子温度、电子密度、平均动能。用电脑化X-Y记录仪测量线路与图2.3-10基本相同,只不过用电脑化X-Y记录仪代替普通的函数记录仪,微机内已安装数据采集软件以及等离子体实验辅助分析软件,这些软件的使用方法请参阅仪器使用说明书,或者软件的在线帮助。接好线路并检查无误后,使放电管放电,启动微机,运行电脑化X-Y记录仪数据采集软件,仿照步骤(2),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。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。5.2双探针法用逐点记录法和自动记录法测出双探针伏安特性曲线,求Te和ne。双探针法实验原理图如图2.3-11所示。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,接线图如图2.3-12和2.3-13所示。值得注意的是双探针法探针电流比单探针小两个数量级,故要合理选择仪表量程。6.实验现象记录与分析6.1用单探针法测量等离子体参量连线示意图如下:在本次测试过程中,取样电阻值为1000Ω,放电电流为60mA。本次实验的实验参数和实验结果如下:实验参数实验结果探针直径(mm):0.45U0=26.92V探针轴向间距(mm):30.00I0=
本文标题:23等离子体分析-1212
链接地址:https://www.777doc.com/doc-2913336 .html