等離子體實(shí)驗(yàn)報(bào)告

等離子體實(shí)驗(yàn)報(bào)告氣體放電中檔離子體的研究摘要:本文敘述了氣體放電中檔離子體的特性及其測(cè)試辦法，分別使用單探針?lè)ê碗p探針?lè)y(cè)量了等離子體參量，并簡(jiǎn)要介紹了等離子體的應(yīng)用,最后對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行討論。核心詞:等離子體、單探針、雙探針引言等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)在宇宙中普遍存在。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)等離子體的研究是從氣體放電開(kāi)始的。朗繆爾和湯克斯首先引入“等離子體”這個(gè)名稱(chēng)。近年來(lái)等離子體物理學(xué)有了較快發(fā)展，并被應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工和廣播通訊等部門(mén)，特別是等離子體的研究，為運(yùn)用受控?zé)岷朔从?，解決能源問(wèn)題提供了誘人的前景。（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解氣體放電中檔離子體的特性。2，運(yùn)用等離子體診療技術(shù)測(cè)定等離子體的某些基本參量。（三）實(shí)驗(yàn)原理1，等離子體的物理特性等離子體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。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，含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。描述等離子體的某些重要參量為：（1）電子溫度。它是等離子體的一種重要參量，由于在等離子體中電子碰撞電離是重要的，而電子碰撞電離與電子的能量有直接關(guān)系，即與電子溫度有關(guān)聯(lián)。（2）帶電粒子密度。電子密度為，正離子密度為，在等離子體中。（3）軸向電場(chǎng)強(qiáng)度。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。（5）空間電位分布。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，在管內(nèi)兩個(gè)電極間的光強(qiáng)、電位和場(chǎng)強(qiáng)分布如圖一所示。8個(gè)區(qū)域的名稱(chēng)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)，（7）陽(yáng)極暗區(qū)，（8）陽(yáng)極輝區(qū)。其中正輝區(qū)是等離子區(qū)。圖一輝光放電的光強(qiáng)、電位和場(chǎng)強(qiáng)分布2，單探針與雙探針?lè)ǖ臏y(cè)量原理測(cè)試等離子體的辦法被稱(chēng)為診療。等離子體診療有探針?lè)ǎ魻栃?yīng)法，微波法，光譜法等。本次實(shí)驗(yàn)中采用探針?lè)?。探針?lè)ǚ謫翁结樂(lè)ê碗p探針?lè)?。?）單探針?lè)?。探針是封入等離子體中的一種小的金屬電極（其形狀能夠是平板形、圓柱形、球形）。以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，變化探針電位，測(cè)出對(duì)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?lè)蔡匦郧€(xiàn)，如圖二所示。對(duì)此曲線(xiàn)的解釋為：圖二單探針?lè)蔡匦栽冢粒露危结樀呢?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，在探針周邊形成正離子構(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(guò)鞘層達(dá)成探針，形成探針電流，因此ＡＢ段為正離子流，這個(gè)電流很小。過(guò)了Ｂ點(diǎn)，隨著探針負(fù)電位減小，電場(chǎng)對(duì)電子的拒斥作用削弱，使某些快速電子能夠克服電場(chǎng)拒斥作用，達(dá)成探極，這些電子形成的電流抵消了部分正離子流，使探針電流逐步下降，因此ＢＣ段為正離子流加電子流。到了Ｃ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ＵF。繼續(xù)減小探極電位絕對(duì)值，達(dá)成探極電子數(shù)比正離子數(shù)多得多，探極電流轉(zhuǎn)為正向，并且快速增大，因此ＣＤ段為電子流加離子流，以電子流為主。當(dāng)探極電位ＵP和等離子體的空間電位ＵS相等時(shí)，正離子鞘消失，全部電子都能達(dá)成探極，這對(duì)應(yīng)于曲線(xiàn)上的Ｄ點(diǎn)。此后電流達(dá)成飽和。如果ＵP進(jìn)一步升高，探極周邊的氣體也被電離，使探極電流又快速增大，甚至燒毀探針。由單探針?lè)ǖ玫降姆蔡匦郧€(xiàn)，可求得等離子體的某些重要參量。對(duì)于曲線(xiàn)的ＣＤ段，由于電子受到減速電位(ＵP-ＵS)的作用，只有能量比ｅ(ＵP-ＵS)大的那部分電子能夠達(dá)成探針。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ｎe，按玻耳茲曼分布應(yīng)為(1)式中ｎo為等離子區(qū)中的電子密度，Ｔe為等離子區(qū)中的電子溫度，ｋ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Ｓ的探針上的電子數(shù)為：(2)將(1)式代入(2)式得探針上的電子電流：(3)

其中(4)對(duì)(3)式取對(duì)數(shù)(5)

其中故(6)

可見(jiàn)電子電流的對(duì)數(shù)和探針電位呈線(xiàn)性關(guān)系。圖三單探針的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)作半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，如圖三所示，由直線(xiàn)部分的斜率，可決定電子溫度：(7)

若取以10為底的對(duì)數(shù)，則常數(shù)11600應(yīng)改為5040。電子平均動(dòng)能和平均速度分別為：(8)(9)式中為電子質(zhì)量。由(4)式可求得等離子區(qū)中的電子密度：(10)

式中I0為ＵP＝Ｕｓ時(shí)的電子電流，Ｓ為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積。（2）雙探針?lè)ā翁结樂(lè)ㄓ幸欢ǖ木窒扌?，由于探針的電位要以放電管的?yáng)極或陰極點(diǎn)位作為參考點(diǎn)，并且一部分放電電流對(duì)探極電流有所奉獻(xiàn)，造成探極電流過(guò)大和特性曲線(xiàn)失真。雙探針?lè)ㄊ窃诜烹姽苤醒b兩根探針，相隔一段距離L。雙探針?lè)ǖ姆蔡匦郧€(xiàn)如圖4所示。在坐標(biāo)原點(diǎn)，如果兩根探針之間沒(méi)有電位差，它們各自得到的電流相等，因另外電流為零。然而，普通說(shuō)來(lái)，由于兩個(gè)探針?biāo)诘牡入x子體電位稍有不同，因另外加電壓為零時(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。圖四雙探針?lè)蔡匦噪p探針?lè)ㄓ幸环N重要的優(yōu)點(diǎn)，即流到系統(tǒng)的總電流決不可能不不大于飽和離子電流。這是由于流到系統(tǒng)的電子電流總是與相等的離子電流平衡。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(xiàn)，通過(guò)下式可求得電子溫度：(11)式中為電子電荷，為玻耳茲曼常數(shù)，，為流到探針1和2的正離子電流。它們由飽和離子流擬定。是附近伏安特性曲線(xiàn)斜率。電子密度為：(12)

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。是正離子飽和電流。（四）實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)用等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀、接線(xiàn)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。有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)以下：探針直徑(mm)：0.45亥姆霍茲線(xiàn)圈直徑(mm)：200.00探針軸向間距(mm)：30.00亥姆霍茲線(xiàn)圈間距(mm)：100.00放電管內(nèi)徑(mm)：6.00亥姆霍茲線(xiàn)圈匝數(shù)：400平行板面積(mm^2)：8.00放電電流(mA)：90平行板間距(mm)：4.00取樣電阻值(Ω)：1000（五）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1，單探針?lè)y(cè)等離子體參量本實(shí)驗(yàn)我們采用的是電腦化X-Y函數(shù)統(tǒng)計(jì)儀直接統(tǒng)計(jì)探針電位和探針電流，自動(dòng)繪出伏安特性曲線(xiàn)，并使用等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件算出等離子體參量。儀器聯(lián)線(xiàn)如圖五所示。圖五單探針?lè)▽?shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖（逐點(diǎn)統(tǒng)計(jì)）測(cè)量時(shí)電阻設(shè)為750Ω，電流設(shè)為60mA,軟件自動(dòng)測(cè)量的成果以下U0=34.30VtgΦ=0.04I0=32730.02uATe=2.68E+005KVe=3.22E+006m/sNe=1.60E+018n/m^3Ee=5.56E-018J做半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)如圖六圖六從圖六中能夠看出，并沒(méi)有明顯的線(xiàn)性區(qū)域，與理論預(yù)測(cè)有一定的差距。為了檢查電腦軟件計(jì)算的與否對(duì)的，我們能夠取曲線(xiàn)的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，不妨?。?0，ln9500）,(40,ln39450)這兩點(diǎn)。tgΦ=（10.5827-9.159）/30=0.047Te=2.467E+005KVe=3.08E+006m/sNe=1.67E+018n/m^3Ee=5.106E-018J上述成果與軟件所求的差別不大，基本上在一種量級(jí)內(nèi)。計(jì)算成果是值得信任的。同樣的，如果?。?0，ln19370）,(40,ln39450)這兩點(diǎn)，則有tgΦ=（10.5827-9.8715）/20=0.036Te=3.2E+005KVe=3.54E+006m/sNe=1.45E+018n/m^3Ee=6.67E-018J取不同的點(diǎn)對(duì)成果有一定影響，能夠大概預(yù)計(jì)每個(gè)參量的誤差范疇為T(mén)e9.89×104—3.5×105K相對(duì)誤差為-60.1%-30%Ve1.952×106-3.647×106m/s相對(duì)誤差為-39.3%-13.2%Ne1.4×1018-2.637×1018n/m^3相對(duì)誤差為-12.5%-64.8%Ee2.047×10-18-7.245×10-18J相對(duì)誤差為-63.3%-30.3%可見(jiàn)單探針測(cè)量的誤差還是相稱(chēng)大的，并且這種誤差很難通過(guò)數(shù)據(jù)解決技巧得到彌補(bǔ)。2，雙探針?lè)y(cè)量等離子體參量?jī)x器聯(lián)線(xiàn)如圖七所示。圖七雙探針?lè)▽?shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖測(cè)量時(shí)采樣電阻設(shè)定為750Ω，放電電流設(shè)定為60mA。軟件自動(dòng)計(jì)算的測(cè)量成果以下：I1=494.50uAtgΦ=6.1E-003I2=437.48uATe=4.43E+005KNe=1.20E+018n/m^3圖像如圖八圖八可見(jiàn)單探針?lè)ㄅc雙探針?lè)y(cè)出的數(shù)據(jù)在數(shù)量級(jí)上是一致的。需要注意的是由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中和并不能達(dá)成飽和，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決時(shí)是在曲線(xiàn)兩邊各取一點(diǎn)做該點(diǎn)切線(xiàn)交與電流為零所對(duì)應(yīng)的直線(xiàn)，交點(diǎn)的數(shù)值分別取為和，這樣做的后果就是帶有很大的人為性，引入了誤差。我們觀察圖像發(fā)現(xiàn)和的誤差均在正負(fù)5%左右，由對(duì)稱(chēng)性假設(shè)，分析公式可計(jì)算誤差范疇為-5%—5%，可見(jiàn)與單探針測(cè)量相比，雙探針?lè)ù蟠鬁p少了實(shí)驗(yàn)誤差。3，兩種辦法的比較雙探針?lè)ǖ膬?yōu)點(diǎn)：雙探針?lè)ú恍枰獏⒖茧娢?，受放電系統(tǒng)接地狀況的影響較小。另外由于流到探針的總電流不會(huì)不不大于飽和離子電流，從而探針對(duì)等離子體的干擾大為減小。單探針?lè)ǖ膬?yōu)點(diǎn)：?jiǎn)翁结樂(lè)軌蛲ㄟ^(guò)伏安特性曲線(xiàn)得到雙探針?lè)o(wú)法獲得的懸浮電位及空間電位。由數(shù)據(jù)解決能夠看到單探針?lè)ǖ恼`差較大，由于實(shí)驗(yàn)所得圖六沒(méi)有明顯的線(xiàn)性區(qū)以及飽和區(qū)，因此在計(jì)算以及擬定時(shí)誤差很大。這是由于單探針的離子鞘層的厚度隨著的增加而變化，使得達(dá)成探針的電子數(shù)較多的偏離理論值，并且由于離子鞘層厚度的變化使得探針的有效面積發(fā)生變化使得電流無(wú)法真正的達(dá)成飽和。對(duì)于雙探針?lè)ǎx子鞘層對(duì)于平行板的影響能夠無(wú)視，但是電流仍無(wú)法達(dá)成飽和，在擬定飽和電流時(shí)仍然有較大的隨機(jī)性。（六）思考題（1）氣體放電中的等離子體有什么特性？答：1.高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，含有比普通氣體大幾百倍的比熱容。2.帶正電和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。3．宏觀為電中性4.有輝光特性，電子的平均動(dòng)能遠(yuǎn)不不大于其它粒子，處在非平衡狀態(tài)（2）等離子體有哪些重要參量？答：1.電子溫度2.帶點(diǎn)粒子密度，電子密度，正離子密度3.軸向電場(chǎng)強(qiáng)度4.電子平均動(dòng)能5