气体放电中等离子体的研究

气体放电中等离子体的研究摘要：本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，最后对本实验进行了讨论。关键词：等离子体，等离子体诊断，探针法1.引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。2.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。3.实验原理1.等离子体定义及其物理特性等离子体（又称等离子区）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。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Ee。（5）空间电位分布。3.稀薄气体产生的辉光放电图1辉光放电的光强、电位和场强分布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10-10^2Pa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）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。其中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。4.等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有（1）探针法，（2）霍尔效应法，（3）微波法，（4）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）。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所示。对此曲线的解释为：图2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（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：（2）将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流：espekTUUenn)(exp0（3）其中（4）对(3)式取对数（5）其中故（6）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3所示。图3单探针的半对数曲线由直线部分的斜率tg，可决定电子温度Te：（7）若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040。电子平均动能Ｅe和平均速度ve分别为：（8）（9）常数esokTeUIln常数epkTeUIlnkTEe23eeemkTv8式中ｍe为电子质量。由(4)式可求得等离子区中的电子密度：（10）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。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4所示。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。图4双探针伏安特性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：（11）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。电子密度为𝑛𝑒：（12）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（13）式中l为两探针间距。另一种方法称为补偿法，接线如图5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。eeoeoekTmeSIveSIn2402121UiiiiedIdUIIIIkeTesekTMeSIn2lUUEL21图5补偿法接线4.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。实验参数:探针直径(mm)：0.45探针轴向间距(mm)：30.00放电管内径(mm)：6.00平行板面积(mm^2)：8.00平行板间距(mm)：4.00放电电流(mA)：90单探针序号：1取样电阻值(Ω)：10005.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。实验原理图如图6所示。图6单探针法实验原理图（1）按图7连接线路图7单探针法实验接线图（2）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1000Ω，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。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。双探针法实验原理图如图8所示。双探针法实验方法与单探针法相同，接线图如图9所示。图8双探针法实验原理图图9双探针法实验接线图6.实验数据及处理1.单探针法实验由实验测得的伏安特性曲线如图10所示图10单探针法实验伏安特性曲线再将上述数据作半对数曲线，得到如图11所示的结果303540455055UV2468101214ImA图11单探针法实验半对数曲线接着，做出两端的切线，并得到交点，如图12所示图12半对数线、切线及其交点交点的坐标为I=6.391871776136431mA，U=28.681192365458863V，从而可以求得tgϕ=𝑙𝑛𝐼𝑈𝑝=2.2166802229256093𝑇𝑒=11600tgϕ=5233.050703493054𝐾由电子温度则可进一步求出电子平均动能、平均速度及电子密度，分别为：303540455055UV422lnImA303540455055UV64224lnImA𝐸̅𝑒=32𝑘𝑇𝑒=1.083752032049695×10−19𝐽𝑣̅𝑒=√8𝑘𝑇𝑒𝜋𝑚𝑒=449412.273824434𝑚/𝑠𝑛𝑒=4𝐼0𝑒𝑆𝑣̅𝑒=5.581589105041097×1020/𝑚32.双探针法实验由实验测得的伏安特性曲线如图13所示图13双探针法实验伏安特性曲线对所得曲线进行玻尔兹曼拟合，如图14所示图14拟合所得的玻尔兹曼曲线40202040UV0.40.20.20.4ImA40202040UV0.40.20.20.4ImA通过拟合的参数，我们得到两个饱和电流分别为：𝐼𝑖1=0.41060868603100775𝑚𝐴，𝐼𝑖2=0.36321728100726636𝑚𝐴此外，计算电子温度所需的U=0附近的伏安特性曲线的斜率也可以由此得出：𝑑𝑈𝑑𝐼|𝑈=0=0.10431009483654304𝑉/𝑚𝐴从而可求的电子温度𝑇𝑒=𝑒𝑘𝐼𝑖1∗𝐼𝑖2𝐼𝑖1+𝐼𝑖2∗𝑑𝑈𝑑𝐼|𝑈=0=21441.325343142584𝐾同理，可求电子平均动能和平均速度，分别为：𝐸̅𝑒=32𝑘𝑇𝑒=4.440446161730992×10−19𝐽𝑣̅𝑒=√8𝑘𝑇𝑒𝜋𝑚𝑒=909689.6869743891𝑚/𝑠7.讨论双探针法的优点：双探针法不需要参考电位，受放电系统接地情况的影响较小。另外由于流到探针的总电流不会大于饱和离子电流，从而探针对等离子体的干扰大为减小。单探针法的优点：单探针法可以通过伏安特性曲线得到双探针法无法获得悬浮电位𝑈𝐹及空间电位𝑈𝑆。8.思考题1、气体放电中的等离子体有什么特征？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L＞λD时，系统呈现电中性，当L＜λD时，系统可能出现非电中性。2、等离子体有哪些主要的参量？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。（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Ｅe。（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