南京大学-气体放电中等离子体的研究..docVIP

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。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，正离子密度为，在等离子体中。 （3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能。 （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。 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： 可见电子电流的对数和探针点位成线性关系，电子温度为： 电子平均动能和平均速度为： 于是可以求得等离子区的电子密度 （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2.3所示。 图2.3 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 电子密度为 式中是放电管所充气体的离子质量，是两根探针的平均表面面积。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。 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）实验参数与计算机的计算结果 实验参数列表如下： 探针直径d(mm) 0.45 探针轴向间距(mm