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(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𝐿𝜆𝐷时，系统呈现电中性，当𝐿𝜆𝐷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𝐸𝑒̅̅̅。（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。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。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。2图1辉光放电的光强、点位和场强分布3.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）。单探针法实验原理图如图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3所示。对此曲线的解释为：图2单探针接法3图3单探针伏安特性在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𝑛𝑒=𝑛0exp[𝑒(𝑈𝑃−𝑈𝑆)𝑘𝑇𝑒]（1）（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𝑣𝑒时，在单位时间内落到表面积为S的探针上的电子数为：𝑁𝑒=14𝑛𝑒𝑣𝑒̅𝑆(2)将（1）式代入（2）式得探针上的电子电流：𝐼=𝑁𝑒𝑒=14𝑛𝑒𝑣𝑒̅𝑆𝑒=𝐼0𝑒𝑥𝑝[𝑒(𝑈𝑃−𝑈𝑆)𝑘𝑇𝑒](3)其中𝐼0=14𝑛0𝑣𝑒̅𝑆𝑒(4)对（3）式取对数4𝑙𝑛𝐼=𝑙𝑛𝐼0−𝑒𝑈𝑆𝑘𝑇𝑒+𝑒𝑈𝑃𝑘𝑇𝑒(5)其中𝑙𝑛𝐼0−𝑒𝑈𝑆𝑘𝑇𝑒=常数故𝑙𝑛𝐼=𝑒𝑈𝑃𝑘𝑇𝑒+常数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4所示，由直线部分的斜率tgΦ，可决定电子温度𝑇𝑒：图4单探针的半对数曲线tgΦ=𝑙𝑛𝐼𝑈𝑃=𝑒𝑘𝑇𝑒𝑇𝑒=𝑒𝑘𝑇𝑒𝑡𝑔𝛷=11600𝑡𝑔𝛷(k)电子平均动能𝐸𝑒̅̅̅和平均速度𝑣𝑒̅分别为：𝐸𝑒̅̅̅=32𝑘𝑇𝑣𝑒̅=√8𝑘𝑇𝑒𝜋𝑚𝑒式中𝑚𝑒为电子质量。由（4）式可求得等离子区中的电子密度：𝑛𝑒=4𝐼0𝑒𝑆𝑣𝑒̅=𝐼0𝑒𝑆√2𝜋𝑚𝑒𝑘𝑇𝑒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。双探针法原理图如图5所示。5图5双探针法实验原理图在坐标原点，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：𝑇𝑒=𝑒𝑘𝐼𝑖1𝐼𝑖2𝐼𝑖1+𝐼𝑖2𝑑𝑈𝑑𝐼|𝑈=0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。𝑑𝑈𝑑𝐼|𝑈=0是𝑈=0附近伏安特性曲线斜率。电子密度𝑛𝑒为：𝑛𝑒=2𝐼𝑆𝑒𝑆√𝑀𝑘𝑇𝑒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𝐸𝑙=𝑈1−𝑈2𝑙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。6图6补偿法接线三、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。有关的实验参数如下：探针面积：𝜋𝑑2/4（𝑑=0.45𝑚𝑚）探针轴向间距：30.00𝑚𝑚放电管内径：Ф6.00𝑚𝑚平行板面积：8.00𝑚𝑚2平行板间距：4.00𝑚𝑚赫姆霍兹线圈直径：Ф200.00𝑚𝑚赫姆霍兹线圈间距：100.00𝑚𝑚赫姆霍兹线圈圈数：400圈（单只）电子电量：𝑒=1.60×10−19𝐶电子质量：𝑀𝑒=9.11×10−31𝑘𝑔玻尔兹曼常数：𝐾=1.38×10−23𝐽•𝐾四、实验内容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。实验接线如图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。7图7单探针法实验接线图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8所示。图8双探针法实验接线图五、实验结果1.单探针法测等离子体参量计算机记录数据并绘图，结果如图9所示：图9单探针伏安特性半对数后如图10所示：图10单探针半对数伏安特性计算机自动计算得：𝑈𝑜=32.89V𝐼𝑜=6058.80uA8𝑡𝑔𝛷=𝑇𝑒=𝑉𝑒=𝑁𝑒=𝐸𝑒=通过手工取点，运用原理公式，计算得：𝑈𝑜=𝐼𝑜=𝑡𝑔𝛷=𝑇𝑒=𝑉𝑒=𝑁𝑒=𝐸𝑒=两次结果较为吻合。2．双探针法计算机记录数据并绘图，结果如图11所示：图11双探针伏安特性计算机计算结果如下：𝐼1=𝐼2=𝑡𝑔𝛷=𝑇𝑒=𝑁𝑒=六、思考题1、气体放电中的等离子体有什么特征？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。（4）有辉光特性，电子的平均动能远大于其他粒子，处于非平衡状态2、等离子体有哪些主要的参量？答：描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度T𝑒。（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E𝑖。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：一是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。二是探针材质的化学性质要稳定，9在高温下要求探针不易发生化学变化。三是抗干扰能力强，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。四是探针线度适中：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。