基于dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置Langmuir 探針的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

1、基于dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置Langmuir 探針的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)本文檔由【中文word文檔庫(kù)】提供，轉(zhuǎn)載分發(fā)敬請(qǐng)保留本信息；中文word文檔庫(kù)免費(fèi)提供海量范文、教育、學(xué)習(xí)、政策、報(bào)告和經(jīng)濟(jì)類(lèi)word文檔。盧江蛟 07300720388（復(fù)旦大學(xué) 光信息工程）合作者 黃志鴻 指導(dǎo)老師 樂(lè)永康摘要：本文分析了dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)條件，在Langmuir 探針測(cè)量等離子參數(shù)基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)等離子體狀態(tài)、Langmuir探針相對(duì)等離子位置及外加磁場(chǎng)研究等離子體內(nèi)部狀態(tài)及響應(yīng)特性。本實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)在實(shí)驗(yàn)室置允許的條件下，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了等離子體唯象結(jié)構(gòu)的診斷，以及等離子

2、體對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)特性的測(cè)量分析，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到現(xiàn)象和原理分析提出了具有可操作性的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵詞：等離子體 Langmuir 探針 磁場(chǎng) 唯象結(jié)構(gòu) 霍爾效應(yīng)等離子體是繼氣、液、固之后的物質(zhì)的第四態(tài)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際為電子、離子、原子和分子等共同存在的狀態(tài)，整體保持電中性。一般情況下，低氣壓、高溫、高壓狀態(tài)下更適合等離子狀態(tài)的存在。借此可以理解等離子體為宇宙空間中大部分物質(zhì)所存在的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的等離子則是在低氣壓狀態(tài)的氬氣兩端加高壓，使氬原子分裂成電子和離子，形成輝光電流，實(shí)驗(yàn)儀器不斷補(bǔ)充氬原子分裂離子和電子達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。一dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置直流輝光等離子體教學(xué)實(shí)

3、驗(yàn)裝置在經(jīng)典直流放電管的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，工作氣體、工作氣壓、電極距離等影響等離子體的參數(shù)均可靈活地加以單獨(dú)或組合調(diào)控.利用該裝置可以系統(tǒng)研究等離子體的激發(fā)原理和影響因素。該裝置包括可拆卸的氣體放電管、測(cè)量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等部分組成，可調(diào)節(jié)的參數(shù)有：等離子體極板間距及探針相對(duì)位置、等離子體氣壓、高壓電源、探針電壓。已開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)有：等離子體輝光放電U-I曲線(xiàn)、驗(yàn)證帕邢定律、雙探針?lè)y(cè)量等離子體參數(shù)。dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置操作面板圖二Langmuir 探針工作原理Langmuir 探針是利用探針附近的靜電場(chǎng)與等離子體的相互作用而引起電荷重新分布所形成的探針電流變化作為

4、診斷依據(jù)的。在等離子中加入探針，探針表面在極短的時(shí)間內(nèi)積累相當(dāng)數(shù)量的負(fù)電荷（負(fù)電荷相對(duì)正電荷運(yùn)動(dòng)速度更快）,使探針相對(duì)于其附近未被擾動(dòng)的等離子體的電位為負(fù)值,此負(fù)電位排斥電子而吸引離子,在探針表面附近形成一正的空間電荷層(離子鞘)，即德拜屏蔽（屏蔽層厚度即德拜長(zhǎng)度 ）。當(dāng)外加電源使探針相對(duì)于空間電位的電位差不等于懸浮電位時(shí)，探針重新達(dá)到懸浮電位時(shí)，探針上電子數(shù)和離子數(shù)改變，探針上就會(huì)產(chǎn)生探針間電流的變化。 此時(shí)假設(shè)：被測(cè)等離子體空間處于電中性，“電子密度ne=離子濃度ni”，電子與離子的速度滿(mǎn)足麥克斯韋速度分布；德拜長(zhǎng)度比探針面積的線(xiàn)度小，忽略邊緣效應(yīng)，近似認(rèn)為“鞘層=探針的面積”；電子和正離

5、子的平均自由程比鞘層厚度大，忽略鞘層中粒子碰撞引起的彈性散射、粒子激發(fā)和電離；探針材料與氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；探針表面沒(méi)有熱電子和次級(jí)電子的發(fā)射。記錄每一個(gè)流過(guò)探針的電流值。取探針電壓為橫坐標(biāo),探針電流為縱坐標(biāo),可得雙探針的伏安特性曲線(xiàn)，利用以下曲線(xiàn)相應(yīng)求出電子溫度和等離子體密度。三利用Langmuir 探針?lè)ㄔ\斷等離子體唯象結(jié)構(gòu)在dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中，探針位置不可變，但是如果保持極板間距不變，輝光放電電壓不變，調(diào)節(jié)真空度，使輝光電流在某一值附近穩(wěn)定，在此情況下改變極板位置，則在實(shí)驗(yàn)誤差允許的情況下，可認(rèn)為探針位置相對(duì)于“同一等離子體”的位置改變，則利用Langmuir 探針?lè)?/p>

6、即能診斷等離子體唯象結(jié)構(gòu)各位置相應(yīng)等離子體參數(shù)。1.等離子體輝光放電理想唯象結(jié)構(gòu)2.本實(shí)驗(yàn)室裝置在極板間距由上圖可觀察到陽(yáng)極暗區(qū)、陽(yáng)極輝光區(qū)、正電柱、陰極輝光區(qū)。1） 光譜法診斷等離子體各唯象結(jié)構(gòu)光譜法，即用光譜儀測(cè)量雙探針相對(duì)于等離子體各位置的光譜圖，讀取光譜圖中光強(qiáng)最強(qiáng)的波長(zhǎng)處的光強(qiáng)值（此處光強(qiáng)最大，對(duì)應(yīng)誤差更?。俜謩e對(duì)比各位置的相對(duì)光強(qiáng)。利用光譜法測(cè)量此等離子體的光強(qiáng)分布，從陽(yáng)極至陰極間隔5mm（共18點(diǎn)）取點(diǎn)測(cè)量光譜圖。取點(diǎn)方法為制作帶相應(yīng)間隔小孔的黑色紙張（或布）罩在等離子體對(duì)應(yīng)位置，利用連接光譜儀的光纖末端對(duì)準(zhǔn)并貼緊小孔，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)小孔，當(dāng)光譜顯示為最大時(shí)記錄光譜圖，再分別取光譜

7、圖中光強(qiáng)最大的751.49nm處光強(qiáng)作圖。此方法用于測(cè)量等離子體輝光放電各位相結(jié)構(gòu)的相對(duì)光譜強(qiáng)度，對(duì)各光譜內(nèi)部結(jié)構(gòu)不做要求，在實(shí)驗(yàn)允許情況下，也可做光譜分析實(shí)驗(yàn)。光譜法診斷等離子體各唯象結(jié)構(gòu)結(jié)果如下：其中1對(duì)應(yīng)于陽(yáng)極暗區(qū)，2對(duì)應(yīng)陽(yáng)極輝光區(qū)，3-4對(duì)應(yīng)于正電柱，4-5之間存在法拉第暗區(qū)，5對(duì)應(yīng)于負(fù)極輝光區(qū)，6對(duì)應(yīng)于陰極暗區(qū)，7對(duì)應(yīng)于陰極輝光區(qū)?？梢?jiàn)由光譜法，可大致分辨Ar等離子體輝光放電各唯象結(jié)構(gòu)。2）以下對(duì)比利用本實(shí)驗(yàn)探針?lè)y(cè)量等離子體各唯象結(jié)構(gòu)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中從“左板-74.8mm、右板15.2mm”開(kāi)始依次右移5mm直至“左板-14.8mm、右板75.2mm”，共17個(gè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)等離子體為“同一

8、狀態(tài)”，測(cè)量雙探針I(yè)-U曲線(xiàn)。其中，1-13點(diǎn)為右探針測(cè)得，14-17點(diǎn)為左探針測(cè)得。左探針位置為-10mm-11mm，右探針位置10mm11mm。 利用Oringin8.0處理，可得“等離子密度相對(duì)值取點(diǎn)序號(hào)”圖像如下（已經(jīng)過(guò)左探針重測(cè)修正）：對(duì)比光譜法結(jié)果，1對(duì)應(yīng)于陽(yáng)極暗區(qū)，2對(duì)應(yīng)陽(yáng)極輝光區(qū)，3-4對(duì)應(yīng)于正電柱，4-5之間存在法拉第暗區(qū)，5對(duì)應(yīng)于負(fù)極輝光區(qū)，6對(duì)應(yīng)于陰極暗區(qū)，結(jié)果一致。只是對(duì)于探針?lè)ǎ结槻荒苓^(guò)分靠近陰極，故少一組對(duì)應(yīng)于陰極輝光區(qū)的結(jié)果。 本實(shí)驗(yàn)還有其他觀察結(jié)果，當(dāng)輝光放電電壓改變，或者電流改變，等離子體各唯象結(jié)構(gòu)相對(duì)位置改變。故如果取點(diǎn)更加密集，本實(shí)驗(yàn)方法可以更加準(zhǔn)確的測(cè)

9、量等離子體各唯象結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)，研究等離子體更加精密的結(jié)構(gòu)參數(shù)。3）等離子體中理論曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)差別的分析。等離子體理論I-U曲線(xiàn)：A1,A2分別為兩探針的表面面積； V1,V2為電位；電壓V=V1-V20，i1+， i1-，i2+，i2-分別為：流過(guò)探針1，2的離子和電子電流?？梢?jiàn)當(dāng)探針電壓（絕對(duì)值，下同）逐漸增加，探針表面為保持德拜屏蔽，內(nèi)部電荷不斷經(jīng)過(guò)雙探針形成電流，同時(shí)外部吸引電子（離子），達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。雙探針流過(guò)電荷以I=2i+tanh（eV/2kTe）的形式增加。當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)，假設(shè)原來(lái)的等離子體鞘層厚度不變，相應(yīng)可提供探針電流的電子數(shù)目有限，電流達(dá)到飽和，即

10、此時(shí)等離子空間電荷密度已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足德拜屏蔽，電荷流動(dòng)速率達(dá)到最大值。探針I(yè)-U理想曲線(xiàn)圖中上平臺(tái)為電子飽和電流，對(duì)應(yīng)下平臺(tái)為離子飽和電流，零點(diǎn)附近斜率則代表了相應(yīng)雙探針?biāo)幍入x子體空間的等離子體密度。A探針表面氧化層的對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)影響：實(shí)驗(yàn)中，利用右探針的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如下：由上圖可見(jiàn)在電壓為零附近，出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折平臺(tái)。且當(dāng)利用右探針測(cè)量等離子體密度很小的陽(yáng)極暗區(qū)時(shí)，平臺(tái)變小，整體近似直線(xiàn)。利用左探針的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如下：由上圖可見(jiàn)，當(dāng)利用左探針測(cè)量時(shí)平臺(tái)消失。故重新利用左探針測(cè)量原右探針相應(yīng)位置的探針I(yè)-U曲線(xiàn)，平臺(tái)消失。分析可得在右探針外表面出現(xiàn)了氧化層，對(duì)于零點(diǎn)附近探針電壓值狀態(tài)。兩探針之間相比于原來(lái)

11、無(wú)氧化層時(shí)電阻大大增加，吸引的電子大大減少，對(duì)應(yīng)德拜屏蔽所需電子和離子減少。對(duì)于電壓值的改變，電子和離子的流動(dòng)也大大減弱，故在探針電壓零值附近I-U曲線(xiàn)斜率趨近于零。當(dāng)電壓值大到一定程度時(shí)（本實(shí)驗(yàn)中為5V左右），氧化層的影響削弱，故整個(gè)曲線(xiàn)趨于正常。由上所述，對(duì)實(shí)驗(yàn)所用探針應(yīng)該采用“等離子體濺射”的方法除去其表面氧化層。、此試驗(yàn)方法也可用于研究氧化膜對(duì)于德拜屏蔽的影響。B德拜屏蔽厚度增加隨實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的影響 據(jù)上圖，可見(jiàn)，探針I(yè)-U理想曲線(xiàn)圖中飽和電流電流對(duì)應(yīng)于上圖中斜率較小的斜線(xiàn)?？梢岳斫鉃樵陔妷海ń^對(duì)值）增加到德拜長(zhǎng)度逐漸增加，探針中電荷流動(dòng)的速率也對(duì)應(yīng)增加，故出現(xiàn)了斜線(xiàn)情況。此時(shí)斜線(xiàn)斜率即對(duì)

12、應(yīng)于德拜長(zhǎng)度隨電壓增加的變化情況。故利用本實(shí)驗(yàn)原理可進(jìn)行德拜長(zhǎng)度與探針電壓的變化關(guān)系。通過(guò)以上Langmuir 探針?lè)ㄔ\斷等離子體唯象結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力及思考能力，更加深刻的理解Ar等離子體輝光放電唯象結(jié)構(gòu)，分析實(shí)驗(yàn)操作中各種非理想情況，并且深入探索各唯象結(jié)構(gòu)的特性。四等離子體對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)特性的觀察測(cè)量實(shí)驗(yàn)dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置照片如下，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)既是在畫(huà)圈處（即Ar等離子體放電管），垂直電場(chǎng)方向加均勻可變的磁場(chǎng)，觀察測(cè)量等離子體對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)條件：在畫(huà)圈處加蹄型磁鐵，Ar等離子放電管所處位置大致為均勻恒定磁場(chǎng)。B大約為14mT。電極間距90mm。由于

13、等離子體外加磁場(chǎng)時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及響性特性復(fù)雜多變，以下介紹幾種在本實(shí)驗(yàn)儀器允許條件下觀測(cè)到的改變。1. 加磁場(chǎng)和未加磁場(chǎng)等離子體擊穿電壓不同，一般來(lái)說(shuō)，加磁場(chǎng)后擊穿電壓增加。等離子中帶電粒子受到外加磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用，改變了原來(lái)陰極陽(yáng)極間的運(yùn)動(dòng)軌跡。以單個(gè)電子子為例。按照統(tǒng)計(jì)學(xué)說(shuō)法，未加磁場(chǎng)時(shí)，電子受到陽(yáng)極板的吸引，沿直線(xiàn)到達(dá)陽(yáng)極板形成輝光電流。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，電子子受到垂直于原速度方向和磁場(chǎng)方向的洛倫茲力的作用，運(yùn)動(dòng)軌道大致如下：故對(duì)于整個(gè)等離子體，若要達(dá)到氣體擊穿，對(duì)應(yīng)擊穿電壓更高，以克服離子軌道彎曲的影響。這里本實(shí)驗(yàn)裝置還能完成探究擊穿電壓與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。2. 等離子輝光放電唯象結(jié)構(gòu)改變

14、，從陰極輝光區(qū)一直延伸到接近陽(yáng)極，出現(xiàn)近似周期性明暗變化的輝光區(qū)。 由于霍爾效應(yīng)，電子在玻璃管壁處多次輝光放電，產(chǎn)生會(huì)輝光類(lèi)似于陰極輝光區(qū)。實(shí)際上，當(dāng)磁場(chǎng)靠近等離子體時(shí)，隨著磁場(chǎng)的增大，從陰極輝光區(qū)開(kāi)始產(chǎn)生一個(gè)個(gè)近似周期間隔分布的亮區(qū)和暗區(qū)，亮區(qū)的外觀顏色和亮度都和陰極相當(dāng)，在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的情況下，可對(duì)其光譜圖進(jìn)行驗(yàn)證。以下是利用探針?lè)▽?duì)近似周期性亮區(qū)和暗區(qū)每隔2mm取點(diǎn)所得等離子體密度（已去除原等離子體參數(shù)的影響）曲線(xiàn)圖：可見(jiàn)對(duì)于此時(shí)形成的明暗間隔區(qū)域，相應(yīng)明紋（暗紋）間的間距逐漸增大。理論分析此明暗間隔區(qū)域，電子由于磁場(chǎng)的作用，在陰極區(qū)多次達(dá)到輝光放電。在左側(cè)第一明紋處產(chǎn)生輝光后，再次被電

15、場(chǎng)加速，到達(dá)第二明紋再次產(chǎn)生輝光，如此重復(fù)。明紋（暗紋）間的間距逐漸增大，可以證明相應(yīng)位置的電位分布的不均勻變化。由此實(shí)驗(yàn)原理，可利用磁場(chǎng)對(duì)等離子體此影響測(cè)量相應(yīng)的電位分布。3. 當(dāng)此輝光區(qū)延伸到陽(yáng)極，電壓較小時(shí)，等離子體出現(xiàn)“超阻”現(xiàn)象（即等離子體輝光電流瞬間為零，等離子體電阻極大）。當(dāng)輝光電壓較大時(shí)，等離子體“超阻”現(xiàn)象消失。此時(shí)等離子體使得所有的離子都無(wú)法到達(dá)陰極，等離子體狀態(tài)被破壞，形成電中性。輝光電壓較大時(shí)，原恒定的磁場(chǎng)已經(jīng)無(wú)法使得此等離子體中所有離子都不能到達(dá)陰極，故若要再次達(dá)到“超阻”現(xiàn)象則需增加磁場(chǎng)強(qiáng)度。由此實(shí)驗(yàn)原理，可探索磁場(chǎng)強(qiáng)度與產(chǎn)生“超阻”時(shí)的電壓的關(guān)系。五以下介紹外加磁

16、場(chǎng)的等離子體的一種測(cè)量方法：霍爾效應(yīng)法。在一半導(dǎo)體或?qū)w中，X方向加電場(chǎng)，Y方向加磁場(chǎng)，則由于單個(gè)電子在X方向切割Y方向的磁場(chǎng)，就受到了Z方向上的洛倫茲力。（常溫和小于1T的弱磁場(chǎng)條件下）部分電子沿Z方向移動(dòng)，形成霍爾電場(chǎng)，由于霍爾電場(chǎng)逐漸增加，阻止了電子繼續(xù)的沿Z方向移動(dòng)，最終達(dá)到平衡。達(dá)到平衡時(shí)，有霍爾電阻率：即霍爾系數(shù)KH與電子濃度成反比，與磁場(chǎng)無(wú)關(guān).而霍爾電阻率RH與磁場(chǎng)B呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置：霍爾效應(yīng)法診斷等離子體實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)圖： 本實(shí)驗(yàn)裝置采用的霍爾電極為半球面電極，分上下兩個(gè)，位置為橫向中點(diǎn)，垂向?yàn)榉烹姽軝M截面直徑兩端，其連線(xiàn)垂直于水平線(xiàn)。為減小電極板對(duì)等離子體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影

17、響，電極應(yīng)該盡量選擇線(xiàn)性小，且積累電荷能力適當(dāng)，同時(shí)對(duì)等離子體輝光放電唯象結(jié)構(gòu)影響盡量小。由下圖所示，探針?lè)ǚe累電荷能力不夠；球端法嚴(yán)重破壞了等離子體穩(wěn)定邊界條件，對(duì)等離子體影響較大。故采用半球面電極作為霍爾電極。為補(bǔ)充半球面積累電荷能力的不足，外部測(cè)量電流的電路應(yīng)該選取比較靈敏的電路，也可加放大電路。實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)中，兩電極之間的距離為D，霍爾電壓VH為“VH=RHIB/D”.I為電流強(qiáng)度。在本實(shí)驗(yàn)等離子體中，設(shè)兩電極之間有電荷為e，漂移速度為u的粒子運(yùn)動(dòng)。在垂直電極方向加磁場(chǎng)，則有u=EH/B=VH/BD，這里EH為霍爾電極間的電場(chǎng)大小。在磁場(chǎng)較小，近似認(rèn)為放電電流均勻時(shí)，有電子濃度ne

18、=JDB/8eVH。這里J、D、e視為常數(shù)。當(dāng)B值變化時(shí)，可測(cè)的相應(yīng)的霍爾電壓VH，從而求出電子濃度ne、漂移速度u等等離子體參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)方法可用于雙探針?lè)ā⒐庾V法、霍爾效應(yīng)法測(cè)量等離子體參數(shù)的比較。六基于dh2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置Langmuir 探針的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)總結(jié)。本實(shí)驗(yàn)儀器在可操作的情況下可以開(kāi)發(fā)以下實(shí)驗(yàn)：1.利用改變等離子體兩極板位置，測(cè)量雙探針相對(duì)于等離子體各位置參數(shù)，同時(shí)可以對(duì)比光譜法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2.當(dāng)輝光放電電壓改變，或者電流改變，等離子體各唯象結(jié)構(gòu)相對(duì)位置改變。故如果取點(diǎn)更加密集，本實(shí)驗(yàn)方法可以更加準(zhǔn)確的測(cè)量等離子體各唯象結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)，研究等離子體更加精密的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 3.基于探針表面