原因是改变探针在放电管中的空间位置不对称.PPT

* 等离子体物理实验 报告人：丁帆等离子体 等离子体被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。常规的等离子体是指当中性气体产生了相当程度的电离，带电粒子浓度超过一定数量时，中性粒子的作用开始退居次要位置，整个系统将受带电粒子的运动所支配，从而表现出一系列不同于寻常流体的新性质。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。 由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。然而，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。 实验原理 在电气击穿形成等离子体前要经历暗放电阶段，包括本底电离区、饱和区、汤森放电区和电晕放电区 。 在汤森放电区，如果电源内阻很低，气体就会在击穿电压处击穿，放电将从暗放电区转移到正常辉光放电区。 气体放电管工作原理图 实验原理 Paschen定律 静电探针诊断原理 可见击穿电压与pd乘积有关 静电探针诊断原理 单探针的应用受到一些限制: 1)在等离子体电位随时间变化的系统中不能保持恒定的探针——等离子体电势差,测定困难或误差大。 2)需有一个电极或金属壁作参考点。这样,在玻璃管中的射频或微波等离子体中便无法使用。 双探针法的优势： 双探针法的有点在于净电流值绝对不会超过离子饱和电流，能最大程度降低对放电的干扰。 双探针法不需要参考电位，受放电系统接地情况的影响比较小。 探针法测电子温度的5种假设 1.空间是电中性的等离子体空间，电子离子浓度相等，满足麦克斯韦速度分布。 2.探针周围空间电荷鞘层厚度比探针面积线度小，忽略边缘效应，近似认为鞘层和探针面积相等。 3.电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度大，从而忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激发和电离。 4.探针材料与气体不发生化学反应。 5.探针表面没有热电子和刺激电子。 实验现象 辉光放电现象 直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量 实验中电极距离保持不变，电流随电压的升高而增大，且气压升高时，电流增大的速率变快。 气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 由V=f(pd),可见左图符合Paschen定律。并通过计算可知公式所描述曲线是先减小后增大的，本实验最小值应在图线左侧，而右侧递增趋势符合Paschen定律。且相同气压下，电极间距越大，也就是pd乘积越大，击穿电压值越大。 气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 由于击穿电压是关于pd乘积的函数，若pd乘积相同，在考虑击穿电压的涨落和其他实验误差后，实验所测击穿电压应在一定范围内。可见左侧三组数据很好地符合Paschen定律。 帕邢定律的理论解释 若保持电极间距d不变 1.当气压很大时，电子的平均自由程缩短，因而电子相邻两次碰撞积聚足够动能的几率减小，所以所需击穿电压增大。 2.当气压很小时，电子碰撞前积聚足够动能的几率虽然增大，但电子的平均自由程很大，电子碰撞总次数减小，所以击穿电压增大 若保持气压P不变 电极间距的增大会导致场强降低，因而碰撞电离减弱，击穿电压增大；电极间距很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极。 直流辉光放电等离子体参数的测量 计算得Te1=5.00±0.21ev，Te2=5.60±0.16ev， Te3=5.12±0.18ev (1,2,3分别对应蓝线，橙线，灰线），误差在允许范围之内。 直流辉光放电等离子体参数的测量 实验中观察到功率高气压低的条件下电子温度高，但也有其他组得到电流功率较低时电子温度反而升高的现象。一种解释是电流大导致电子数目增多，电子密度增大，因而电子与其他粒子（离子和原子）碰撞几率增大。外弹性碰撞占主导地位，电子能量的不断消耗至使电子温度T下降。而气压越高,电子能量消耗越显著。 直流辉光放电等离子体参数的测量 当U较大时，理论曲线斜率为0，而实验曲线有正斜率，这是因为理论曲线假设探针周围形成的空间鞘层可以忽略，而探针面积保持不变。当电压到达某个值时，探针拦截电子的能力达到饱和，电流不再增大。而在实际实验中，探针面积随电压增大而增大，拦截电子能力增强，电流也就增大。 观察双探针图可见本实验中的曲线并不是关于原点对称的。原因是改变探针在放电管中的空间位置不对称，两探针之间存在背底电压，导致曲线不对称。 误差分析 探针法与其它诊断法相比,方法简单便于操作,并且可测得等离子体各局部的参数。但是探针法也有其缺点,易扰动、污染等离子体,因而测量误差较大些。 由于本地电流和仪器未较零导致的0点跳变，求dI/dv时未在零点位置求导，而是拟合（0,5）区间的直线。这样所求斜率会偏小，导致