《气体放电中等子体的研究》报告.docx

气体放电中等离子体的研究 姓名＿＿＿＿＿ 学号＿＿＿＿＿ 院系＿＿＿＿＿  气体放电中等离子体的研究 一 引言 等离子体是由大量的自由电子和离子组成，在整体上表现为近似电中性的电离气体。由于等离子体有着许多独特的物理和化学性质，它已广泛应用于能源、航空、表面处理及垃圾焚烧等领域。准确测量等离子体的参数，是各领域研究及应用的关键环节。 在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最简便的一种方法。郎缪尔探针法由伸入等离子体内的导体作为探针向它施加电压，通过测定探针电流得到电流-电压（I-V）特性曲线，从而求得等离子体的参数。本文主要介绍了探针法的工作原理，利用探针法测量等离子体的一些主要参量，并通过实验分析了影响实验结果的各种因素。 二 实验原理 1 等离子体定义及其物理特性 等离子体是一种由等量正负电荷离子和中性粒子组成的电离气体，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。描述等离子体的一些主要参量有电子温度Ｔe、带电粒子密度、轴向电场强度ＥL、电子平均动能Ｅe、空间电位分布等。 2 气体放电原理 气体放电可以采用多种能量激励形式，如直流、微波、射频等能量形式。其中直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。直流放电形成辉光等离子体的典型结构如图1所示。 图1 气体放电管工作原理图 图2辉光放电的唯相结构示意图 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所示。 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。 三 等离子体诊断实验及数据处理 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。本实验采用的诊断方法为探针法。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。本实验采用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2.3-8所示。实验采用电脑化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。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。 接通仪器主机总电源、探针单元电源和放电单元电源，显示开关置“电压显示”，调节输出电压使之为300Ｖ以上，再把显示开关置“电流显示”，迅速按下并松开“高压触发”按钮，使放电管触发并正常放电。由于放电单元输出的是高压，应得所有的实验线路接好后才接通放电单元，一旦放电单元接通后，就不允再用手去碰任何电极，以免注意事项触电！ 随后将放电电流调到约90ｍＡ附近。将探针单元输出开关置“正向输出”，启动微机，运行电脑化Ｘ-Ｙ记录仪数据采集软件，选择合适的量程。在接线板上选择合适的电阻1000Ω。 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，并将数据保存。 将保存的数据导入分析软件Origin8.0中，绘出单探针伏安特性曲线，如图3所示。对该图的解释如下： 图3单探针法伏安特性曲线及其局部放大 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，如图3中的左图所示。 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