直流辉光放电中等离子体诊断实验指导手册(教师用)-东北大学

近代物理实验系列-等离子体诊断实验实验指导手册(教师用书)东北大学2017.6.3011.实验目的等离子体是由中性粒子、电子、离子、光子等基本粒子组成的各向异性运动的物质形态，被称为除了固态、液态、气态外物质第四态，等离子体应用广泛，也是近代物理、材料研究的重要领域之一。因此，也是大学物理以及相近专业的近代物理实验课程的必修内容。改变插入到放电管的正柱区内的朗缪尔探针的电压（一般-100V到+100V变化），使之吸收等离子体内的离子和电子，并分析探针上的电流I和电压V的关系可以对等离子体进行诊断分析。本实验的实际操作有助于更加深刻的理解老师在课堂上讲授的相关理论。朗缪尔探针是研究等离子体特性的主要工具，要求学生通过本次实验了解朗缪尔探针的测量等离子体的基本原理；熟练测量朗缪尔探针的I-V特性曲线；能够通过I-V特性曲线计算分析出等离子体的有关参数。通过本实验应使学生充分理解如下内容：①等离子体空间电位②等离子体悬浮电位③等离子体密度(电子密度=离子密度)④电子温度⑤朗缪尔探针(单探针)进行等离子体诊断的理论22.实验条件SSV-40型气体放电与等离子体诊断仪1台(如图1所示);实验报告；实验指导手册；记录笔和记录纸；可拍照手机。图1SSV-40型气体放电与等离子体诊断仪33.考察知识点⑴等离子体参数等离子体空间电位：等离子体相对于地的电位(差)。等离子体密度：等离子体由电子和正离子组成，宏观呈现电中性的物质状态，因此宏观的电子密度和离子密度相等也等于等离子体密度。电子温度：等离子体中大量电子做运动具有的动能的宏观表现即温度。探针悬浮电位：朗缪尔探针悬浮在等离子体中(由于是悬浮状态探针电流为零）时探针相对于地的电位差德拜长度：德拜长度描述等离子体最小尺度，只有大于德拜长度的尺度才可以认为是等离子体，小于德拜长度区域内存在的电子离子的局部不稳定运动或者说局部空间电荷不为0，不能认为是等离子体。因此德拜长度是等离子体重要的指标，一般朗缪尔探针的针尖尺度应该小于德拜长度以致于接触式测量不至于对等离子体产生干扰。图2SSV-40型放电与等离子体诊断仪放电与诊断电路简图4⑵朗缪尔探针诊断图2所示，朗缪尔探针插入放电管中(真空密封)，接触等离子体；另一端与驱动电源(输出±100V电压)相连，而驱动电源另一端则与放电管的阳极和地相连。数字电压表V2和电流表A2分别实时显示朗缪尔探针的电压和电流值。这里假定阳极位降可以忽略(因为阳极位降很小，有时正有时负有时为0)。结构上朗缪尔探针是一个高熔点金属丝(0.2mm钨丝)并做真空密封处理，如下图3所示。一般用钨丝或钼丝或钽丝，真空还原环境也可以用石墨丝。图3朗缪尔单探针图4朗缪尔双探针5图5朗缪尔探针安装位置图注：详尽的朗缪尔探针诊断理论见“近代物理实验-气体放电与等离子体诊断理论基础。部分”参考文献：1.LangmiurProbeDiagnosticsF.FChenUniversityofCalifornia20032.HidenlangmuirProbemanual20033.PlasmartProbesystemmanual20044.SmartProbemanual20025.近代物理实验-气体放电与等离子体诊断理论基础201764.实验步骤实验前的准备：设备检查包括电源位置、设备是否接地、真空泵油量以及其它影响实验或给实验带来隐患的因素。确保微调阀已关闭(顺时针拧到底)。打开气瓶，并调节减压阀到0.5个大气压左右。限流电阻调节开关R1，R2和R3,以及档位开关是否拨到最左侧。检查实验报告，实验指导手册，实验记录本、实验记录笔、手机等必要实验工具是否备齐。实验前必须经过必要的培训或在老师指导下进行操作。注意安全。具体实验操作步骤参考图1所示。5.调节放电管正常辉光放电：步1：打开“总电源”开关，再打开放电管驱动器“电源”开关。(先不要打开朗缪尔探针电源)。步2：打开“真空泵”开关，启动真空泵开始抽真空，同时观察真空计读数，直到真空度大于10Pa步3：打开微调阀，并缓慢调节“压力调节按钮”，同时观察真空度直到稳定在设定值为止,(压力在20-100Pa，在30-50Pa为宜)。步4：打开“总电压调节”开关，直到1100V左右。步5：“档位”开关打到1，拨动“限流电阻调节开关”1由左向右旋动，每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，这时观察放电管外型，出现电流增大而电压不变位置，为正常辉光放电。若没有出现正常辉光放电，则继续，直到“限流电阻调节开关”1被拨动到最右边为止，这时拨动“档位”开关打到2，并拨动“限流电阻调节开关”2由左向右旋动，每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，观察放电管外型，出现电流增大而电压不变位置，为正常辉光放电，若没有出现正常辉光放电，则继续。直到“限流电阻调节开关”2被拨动到最右边为止，这时拨动“档位”7开关打到3，并拨动“限流电阻调节开关”3由左向右旋动，每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，这时观察放电管外型，出现电流增大而电压不变位置，为正常辉光放电。若没有出现正常辉光放电，则继续。本实验仪器在20Pa-100Pa以内又可以获得正常辉光放电形貌。其它同学可以改变放电压力如20Pa，30Pa，40Pa，50Pa重复上述步骤；观察不同的压力下的放电管正常辉光放电形貌。步6：这时微微调整“压力调节钮”调整压力，目的使朗缪尔探针刚好处于正柱区（注：正柱区有时也会出现明暗相间也属正常，这时要保证探针在正柱区的明亮处，或者继续增加压力是正柱区变成均匀）。步7：打开朗缪尔探针驱动电源的“开关”按钮。步8:调节朗缪尔探针电压调节按钮，使之在-100V，然后缓慢从-100V，步长0.5V，增加直到+100V，同时及时记录此时的探针电流。步9：关闭朗缪尔探针电源，气体放电电源。步10：结束实验步11：课后，整理朗缪尔探针数据在坐标纸或计算机上独立绘出朗缪尔探针I-V（-100V----+100V）特性曲线。步12：根据I-V特性曲线求解等离子体参数8例如表1某次朗缪尔探针实验的数据处理表I-V特性表I(uA);V(V)IVIVIVIVIVIVIV-1-5-5-312-244-110-32293420-1-4-3-314-253-112-123103422-1-4-1-315-256-112025113423-1-4-0-318-260-113127123424-1-40-320-265-114228133525-1-41-325-270-915330143526-1-43-328-274-816430153527-9-45-331-181-717531163528-8-46-333-186-61863217-7-48-237-191-51973218-6-39-241-198-42083319图6朗缪尔探针I-V特性曲线9回答问题：(1)求解等离子体悬浮电位答：悬浮电位是探针电流零点对应的电压值,从表可知悬浮电位为-34V;(2)求解等离子体空间电位答：对I-V数据取半度数lnI-V,从悬浮电位开始.I(A)V(V)有:表2I-V数据取半度数lnI-VIVlnIVlnIVlnIVlnIVlnIVlnIV-50-38-11.-27-10.-15-9.1-3-8.49-7.920-48-37-11.-26-9.8-13-9.0-1-8.310-7.922-47-36-11.-25-9.7-12-8.90-8.211-7.923-46-35-10.-24-9.7-11-8.91-8.212-7.924-45-34-10.-23-9.6-10-8.82-8.113-7.925-44-13.-33-10.-21-9.5-9-8.83-8.114-7.926-43-12.-32-10.-20-9.5-8-8.74-8.015-7.927-42-12.-31-10.-19-9.4-7-8.65-8.016-7.928-41-12.-30-10.-18-9.3-6-8.66-8.017-40-11.-29-10.-17-9.3-5-8.57-8.018-39-11.-28-10.-16-9.2-4-8.58-8.01910因此lnI-V特性曲线如下图7I-V数据取半度数lnI-V曲线图空间电位为过渡区和电子饱和区直线交点处对应的电位即Vs=15V11(3)求解等离子体电子温度答：由lnI-V特性曲线可知过渡区直线斜率为α=0.067，所以电子温度为：TeVkTee110.067kTee114.9eV0.067(4)求解等等离子体密度：答：等离子体密度等于电子密度也等于离子密度根据空间电位处有：Iesat1ene即N=5.95X1014/m3A48kTeme（5）求解等离子体德拜长度：答：德拜长度D其中8.854341012(F/m)；k1.381023(J/K)；1.61019(C)因此计算得：1.15103评分原则：数据记录与处理50%：包括I-V数据完整；I-V曲线绘制；等离子体参数计算求解正确50%包括等离子体空间电位、悬浮电位、电子温度、等离子体密度、德拜长度0D0kTeeenem