等離子體實(shí)驗(yàn)報(bào)告-南京大學(xué)(共9頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上氣體放電中等離子體的分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解氣體放電中等離子體的特性。2、利用等離子體診斷技術(shù)測(cè)定等離子體的一些基本參量。二、實(shí)驗(yàn)原理1、等離子體及其物理特性等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：（1）高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。（2）帶正電的和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。（3）宏觀上是電中性的。2、等離子體的主要參量描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度Te。它是等離子體的一個(gè)主要參量，因?yàn)樵诘入x子體中電子碰撞電離是主要的，而電子碰撞電離與電子的能量有直接關(guān)系，即與電子溫度相關(guān)聯(lián)。（2）帶電粒子密度。電子密度為ne，正離子密度為n

2、i，在等離子體中neni。（3）軸向電場(chǎng)強(qiáng)度EL。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動(dòng)能Ee 。（5）空間電位分布。3、稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電本實(shí)驗(yàn)研究的是輝光放電等離子體。輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在10-102Pa時(shí)，在兩電極上加高電壓，就能觀察到管內(nèi)有放電現(xiàn)象。輝光分為明暗相間的8個(gè)區(qū)域。8個(gè)區(qū)域的名稱為（1）阿斯頓區(qū)，（2）陰極輝區(qū)，（3）陰極暗區(qū)，（4）負(fù)輝區(qū)，（5）法拉第暗區(qū)，（6）正輝區(qū)（即正輝柱），（7）陽(yáng)極暗區(qū)，（8）陰極輝區(qū)。如圖1所示，其中正輝區(qū)是我們感興趣的等離子區(qū)。其特征是：氣體高度電離；電場(chǎng)強(qiáng)度很小，且沿軸向有恒定值。這使得其

3、中帶電粒子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)勝過它們的定向運(yùn)動(dòng)。所以它們基本上遵從麥克斯韋速度分布律。由其具體分布可得到一個(gè)相應(yīng)的溫度，即電子溫度。但是，由于電子質(zhì)量小，它在跟離子或原子作彈性碰撞時(shí)能量損失很小，所以電子的平均動(dòng)能比其他粒子的大得多。這是一種非平衡狀態(tài)。因此，雖然電子溫度很高（約為105），但放電氣體的整體溫度并不明顯升高，放電管的玻璃壁并不軟化。圖13. 等離子體診斷測(cè)試等離子體的方法被稱為診斷。等離子體診斷有探針法，霍爾效應(yīng)法，微波法， 光譜法等。本次實(shí)驗(yàn)中采用探針法。探針法分單探針法和雙探針法。（1）單探針法。單探針法實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。圖2探針是封入等離子體中的一個(gè)小的金屬電極（其形狀可

4、以是平板形、圓柱形、球形）。以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位，測(cè)出相應(yīng)的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關(guān)系，即探針伏安特性曲線，如圖3所示。對(duì)此曲線的解釋為：探針是封入等離子體中的一個(gè)小的金屬電極（其形狀可以是平板形、圓柱形、球形）。以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位，測(cè)出相應(yīng)的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關(guān)系，即探針伏安特性曲線，如圖2所示。對(duì)此曲線的解釋為：圖3在段，探針的負(fù)電位很大，電子受負(fù)電位的排斥，而速度很慢的正離子被吸向探針，在探針周圍形成正離子構(gòu)成的空間電荷層，它把探針電場(chǎng)屏蔽起來(lái)。等離子區(qū)中的正離子只能靠熱運(yùn)動(dòng)穿過鞘層抵達(dá)探針，形成探針電流，

5、所以段為正離子流，這個(gè)電流很小。過了點(diǎn)，隨著探針負(fù)電位減小，電場(chǎng)對(duì)電子的拒斥作用減弱，使一些快速電子能夠克服電場(chǎng)拒斥作用，抵達(dá)探極，這些電子形成的電流抵消了部分正離子流，使探針電流逐漸下降，所以段為正離子流加電子流。到了點(diǎn)，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電流為零。此時(shí)探針電位就是懸浮電位F。繼續(xù)減小探極電位絕對(duì)值，到達(dá)探極電子數(shù)比正離子數(shù)多得多，探極電流轉(zhuǎn)為正向，并且迅速增大，所以段為電子流加離子流，以電子流為主。當(dāng)探極電位P和等離子體的空間電位S相等時(shí)，正離子鞘消失，全部電子都能到達(dá)探極，這對(duì)應(yīng)于曲線上的點(diǎn)。此后電流達(dá)到飽和。如果P進(jìn)一步升高，探極周圍的氣體也被電離，使探極電流又迅

6、速增大，甚至燒毀探針。由單探針法得到的伏安特性曲線，可求得等離子體的一些主要參量。對(duì)于曲線的段，由于電子受到減速電位(P-S)的作用，只有能量比(P-S)大的那部分電子能夠到達(dá)探針。假定等離子區(qū)內(nèi)電子的速度服從麥克斯韋分布，則減速電場(chǎng)中靠近探針表面處的電子密度e，按玻耳茲曼分布應(yīng)為式中o為等離子區(qū)中的電子密度，e為等離子區(qū)中的電子溫度，為玻耳茲曼常數(shù)。在電子平均速度為ve時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)落到表面積為的探針上的電子數(shù)為： 得探針上的電子電流：其中取對(duì)數(shù)其中故可見電子電流的對(duì)數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。圖4作半對(duì)數(shù)曲線，如圖4所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度Te： 電子平均動(dòng)能e和平均速度ve分

7、別為：式中e為電子質(zhì)量。由(4)式可求得等離子區(qū)中的電子密度：式中I0為P時(shí)的電子電流，為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積。（2）雙探針法。雙探針法原理圖如圖5圖5雙探針法是在放電管中裝兩根探針，相隔一段距離L。雙探針法的伏安特性曲線如圖6所示。在坐標(biāo)原點(diǎn)，如果兩根探針之間沒有電位差，它們各自得到的電流相等，所以外電流為零。然而，一般說(shuō)來(lái)，由于兩個(gè)探針?biāo)诘牡入x子體電位稍有不同，所以外加電壓為零時(shí)，電流不是零。隨著外加電壓逐步增加，電流趨于飽和。最大電流是飽和離子電流Is1、Is2。圖6雙探針法有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即流到系統(tǒng)的總電流決不可能大于飽和離子電流。這是因?yàn)榱鞯较到y(tǒng)的電子電流總是與相等的離

8、子電流平衡。從而探針對(duì)等離子體的干擾大為減小。由雙探針特性曲線，通過下式可求得電子溫度e： 式中為電子電荷，為玻耳茲曼常數(shù)，Ii1、Ii2為流到探針1和2的正離子電流。它們由飽和離子流確定。是附近伏安特性曲線斜率。電子密度ne為：式中是放電管所充氣體的離子質(zhì)量，是兩根探針的平均表面面積。Is是正離子飽和電流。由雙探針法可測(cè)定等離子體內(nèi)的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度L。一種方法是分別測(cè)定兩根探針?biāo)谔幍牡入x子體電位1和2，由下式得式中l(wèi)為兩探針間距。另一種方法稱為補(bǔ)償法，接線如圖6所示。當(dāng)電流表上的讀數(shù)為零時(shí)，伏特表上的電位差除以探針間距L，也可得到L。圖7三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本實(shí)驗(yàn)用等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀(以下簡(jiǎn)稱組

9、合儀)、接線板和等離子體放電管。放電管的陽(yáng)極和陰極由不銹鋼片制成，管內(nèi)充汞或氬。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.單探針法測(cè)等離子體參量本實(shí)驗(yàn)采用的是電腦化-記錄儀和等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件，測(cè)量伏安特性曲線，算出等離子體參量。實(shí)驗(yàn)接線圖如下圖8連好線路后接通電源，使放電管放電，將放電電流調(diào)到需要值，接通X-Y函數(shù)記錄儀電源，選擇合適的量程。在接線板上選擇合適的取樣電阻。運(yùn)行電腦化-記錄儀數(shù)據(jù)采集軟件，隨著探針電位自動(dòng)掃描，電腦自動(dòng)描出-特性曲線，將數(shù)據(jù)保存。用等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件處理數(shù)據(jù)，求得電子溫度等主要參量。2雙探針法用自動(dòng)記錄法測(cè)出雙探針伏安特性曲線，求e和e。雙探針法實(shí)驗(yàn)方法與單探針法相同，接線圖

10、如圖9所示。圖9五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.單探針法實(shí)驗(yàn)參數(shù):探針直徑(mm)： 0.45探針軸向間距(mm)： 30.00放電管內(nèi)徑(mm)： 6.00平行板面積(mm2)： 8.00平行板間距(mm)： 4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.00亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400放電電流(mA)： 99單探針序號(hào)： 1取樣電阻值()： 750實(shí)驗(yàn)結(jié)果:U0 = 34.86 VI0 =15209.79 uAtg= 0.24 Te = 4.81E+004 KVe = 1.36E+006 m/sNe = 1.75E+018 n/m3Ee = 9.96E-019 J2.雙探針

11、法實(shí)驗(yàn)參數(shù):探針直徑(mm)： 0.45探針軸向間距(mm)： 30.00放電管內(nèi)徑(mm)： 6.00平行板面積(mm2)： 8.00平行板間距(mm)： 4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.00亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400放電電流(mA)： 99取樣電阻值()： 750第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果:I1 = 583.61 uAI2 = 448.12 uAtg= 1.0E-004Te = 2.95E+004 KNe = 1.63E+017 n/m3放電電流(mA)： 99取樣電阻值()： 750第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果:I1 = 554.53 uAI2 = 471.76 u

12、Atg= 1.9E-004Te = 1.55E+004 KNe = 2.23E+017 n/m3六、思考題1、氣體放電中的等離子體有什么特征？等離子體(又稱等離子區(qū))定義為包含大量正負(fù)帶電粒子、而又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣體。也就是說(shuō)，其中正負(fù)電荷密度相等，整體上呈現(xiàn)電中性。等離子體可分為等溫等離子體和不等溫等離子體，一般氣體放電產(chǎn)生的等離子體屬不等溫等離子體。等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：（1）高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。（2）帶正電的和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。（3）宏觀上是電中性的。雖然等離子體宏觀上是電中性的，但是由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，等離子體局部會(huì)偏離電中性。電荷之間的庫(kù)侖相互作用，使這種偏離電中性的范圍不能無(wú)限擴(kuò)大，最終使電中性得以恢復(fù)。偏離電中性的區(qū)域最大尺度稱為德拜長(zhǎng)度D。當(dāng)系統(tǒng)尺度LD時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)電中性，當(dāng)LD時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)非電中性。2、等離子體有哪些主要的參量？描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度e。（2）帶電粒子密度。（3）軸向電場(chǎng)強(qiáng)度L。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動(dòng)能e。（5）空間電位分布。此外，由于等離子